603 120 32MB
Lithuanian Pages [138] Year 2012
Table of contents :
Molekulines kinetines teorijos pagrindai
Molekulines kinetines teorijos pagrindiniai teiginiai
Medziagos kiekis. Molekuliu mase
Idealiosios dujos. Ju molekuliu greitis
Idealiuju duju slegis. Molekulines kinetines teorijos pagrindine lygtis
Temperatura ir jos matavimas
Absoliucioji temperatura - molekuliu vidutines kinetines energijos matas
Idealiuju duju busenos lygtis
Idealiuju duju busenos lygties taikymas
Nanotechnologija ir jos taikymas praktineje veikloje
Skyriaus ,,Molekulines kinetines teorijos pagrindai" apibendrinimas
Medziagos busenos. Garai ir skysciai
Medziagos busenos
Garai. Sotieji garai ir ju savybes
Virimas. Kritine temperatura
Oro dregnis
Oro dregnio matavimas
Pavirsiaus itemptis. Pavirsiaus itempties jega
Drekinimas ir nedrekinimas
Kapiliariniai reiskiniai
Oru stebejimas. Meteorologija
Skyriaus ,,Medziagos busenos. Garai ir skysciai" apibendrinimas
Kietuju kunu sandara. Kristaliniai ir amorfiniai kunai
Kristaliniai ir amorfiniai kunai
Skystieji kristalai ir ju naudojimas
Cheminiai rysiai kristaluose. Kristalu defektai
Kietuju kunu deformacijos rusys
Kietuju kunu mechanines savybes
Tempimo diagrama
Kompozitai
Skyriaus ,,Kietuju kunu sandara. Kristaliniai ir amorfiniai kunai" apibendrinimas
Termodinamika
Termodinamikos samprata. Kunu vidine energija
Vidines energijos kitimas. Silumos kiekis
Faziniai virsmai
Darbas termodinamikoje
Pirmasis termodinamikos desnis
Pirmojo termodinamikos desnio taikymas. Silumos balanso lygtis
Antrasis termodinamikos desnis
Siluminiai varikliai. Ju naudingumo koeficientas
Vidaus degimo varikliu keliama tarsa
Skyriaus ,,Termodinamika" apibendrinimas
Palmira
Pečiuliauskienė
+
ik
Fizikai?
Palmira
Pečiuliauskienė
Fizika
Vadovėlis XI-XII klasei Makrosistemos
UDK 53(075.3) Pe23
Recenzavo mokytoja ekspertė ALVIDA LOZDIENIĖ, mokytojas ekspertas NARIMANTAS ŽALYS Redaktorė ZITA LIAVAITĖ Dailininkės VY TAU! ZOVIENĖ,
RITA
BRAKAUSKAI!
Vadovėlis atitinka kalbos taisyklingumo reikalavimus Pirmasis leidimas
2016 2015 2012
Visi šio leidimo papildomi tiražai yra be pakeitimų ir galioja. skaičius rodo paskutinius leidinio tiražavimo metus.
Šį kūrinį, esantį bibliotekose, mokymo ir mokslo įstaigų bibliotekose,
muziejuose arba archyvuose, draudžiama mokslinių tyrimų ar asmeninių studijų tikslais atgaminti, viešai skelbti ar padaryti viešai prieinamą kompiuterių tinklais tam skirtuose terminaluose tų įstaigų patalpose.
ISBN
978-5-430-05795-4
O Palmira Pečiuliauskienė, 2012 (O Leidykla „Šviesa“, 2012
Turinys Įvadas / 5
ŠILUMINIAI
2. Medžiagos būsenos. Garai ir skysčiai 2.1. Medžiagos būsenos / 39
REIŠKINIAI
2.2“. Garai. Sotieji garai ir jų savybės / 42 2.3. Virimas. Kritinė temperatūra
1. Molekulinės kinetinės teorijos
2.4. Oro drėgnis / 48
pagrindai
2.5. Oro drėgnio matavimas
1.1. Molekulinės kinetinės teorijos
1.2. Medžiagos kiekis. Molekulių masė
/ 10
1.3. Idealiosios dujos. Jų molekulių greitis / 12 kinetinės teorijos pagrindinė lygtis / 16 / 19
1.6. Absoliučioji temperatūra - molekulių
vidutinės kinetinės energijos matas / 23 1.7. Idealiųjų dujų būsenos lygtis / 26 1.8“. Idealiųjų dujų būsenos lygties
taikymas / 28 1.9. Nanotechnologija ir jos taikymas praktinėje veikloje / 32 Skyriaus „Molekulinės kinetinės teorijos
/ 35
įtempties jėga / 53 2.7. Drėkinimas ir nedrėkinimas
/ 56
2.8. Kapiliariniai reiškiniai / 59
1.4. Idealiųjų dujų slėgis. Molekulinės
pagrindai“ apibendrinimas
/ 50
2.6. Paviršiaus įtemptis. Paviršiaus
pagrindiniai teiginiai / 7
1.5. Temperatūra ir jos matavimas
/ 45
2.9. Orų stebėjimas. Meteorologija / 62 Skyriaus „Medžiagos būsenos. Garai ir skysčiai“ apibendrinimas
/ 64
3. Kietųjų kūnų sandara. Kristaliniai ir
amorfiniai kūnai 3.1. Kristaliniai ir amorfiniai kūnai
/ 67
3.2. Skystieji kristalai ir jų naudojimas / 70 3.3*. Cheminiai ryšiai kristaluose. Kristalų defektai / 73 3.4. Kietųjų kūnų deformacijos rūšys / 75 3.5*. Kietųjų kūnų mechaninės savybės / 78
3.6. Tempimo diagrama / 80
3.7. Kompozitai / 83 Skyriaus „Kietųjų kūnų sandara. Kristaliniai ir amorfiniai kūnai“ apibendrinimas
/ 86
4.Termodinamika 4.1. Termodinamikos samprata. Kūnų vidinė energija / 89 4.2. Vidinės energijos kitimas. Šilumos kiekis / 91 4.3. Faziniai virsmai / 93 4.4*. Darbas termodinamikoje
/ 99
4.5. Pirmasis termodinamikos dėsnis / 101 4.6“. Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas. Šilumos balanso lygtis / 103 4.7. Antrasis termodinamikos dėsnis / 107 4.8. Šiluminiai varikliai. Jų naudingumo koeficientas / 110 4.9. Vidaus degimo variklių keliama tarša / 115 Skyriaus „Termodinamika“
apibendrinimas
/ 118
Laboratoriniai darbai / 120 Priedai
/ 128
Dalykinė ir pavardžių rodyklė
Iliustracijų šaltiniai / 134 Literatūra / 135
/ 132
Įvadas Vadovėlis „Makrosistemos“ skiriamas bendrąjį ir išplėstinį fizikos kursą pasirinku-
siems mokiniams. Jame šiluminiai reiškiniai nagrinėjami medžiagos sandaros ir energijos tvermės dėsnio aspektu.
Vadovėlis sudarytas iš atskirų skyrių. Kiekvienas jų pradedamas trumpa anotacija ir baigiamas santrauka, kurioje pateikiamos svarbiausios sąvokos, dėsniai, schemos, paly-
ginamosios lentelės, formulės. Santrauka padės jums įvertinti savo pasiekimus fizikos
srityje, pasirengti savarankiškam ar kontroliniam darbui, taip pat fizikos egzaminui.
Skyrių medžiaga išdėstyta temomis ir potemiais. Temų pabaigoje pateikiama klausimų ir užduočių, padedančių įtvirtinti mokomąją medžiagą, įsivertinti žinias ir gebėjimus.
Paskutinė kiekvieno skyriaus tema skiriama papildomam skaitymui. Ji sieja skyriuje nagrinėtą medžiagą su kitų mokomųjų dalykų (biologijos, chemijos, istorijos ir pan.)
turiniu, artimiausioje aplinkoje vykstančiais reiškiniais, mokslo ir technikos pažanga, praktinėje veikloje kylančiomis ekologinėmis problemomis. Tarpdalykinius skaitinius
papildo projektai. Juos atlikdami, galėsite patys atrasti įvairių ryšių tarp fizikos ir kitų dalykų, tarp teorijos ir praktikos.
Temos, potemiai ir užduotys, skiriamos išplėstinį fizikos kursą pasirinkusiems moki-
niams, pažymėtos ženklu *, o atitinkamos potemių dalys išskirtos gelsvu fonu. Sąvokos, apibrėžtys ir dėsniai, kuriuos reikia išmokti, vadovėlyje yra išspausdinti
pastorintu šriftu. Jų nereikia mokytis pažodžiui, nes fizikos išmokti mintinai neįmanoma, ją reikia suprasti. Svarbiausios formulės ir dėsnių matematinės išraiškos išskirtos
spalviniu fonu. Skyreliuose „Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius“ pateikiama uždavinių spren-
dimo pavyzdžių. Remdamiesi jais, galėsite sėkmingai atlikti savarankiškam darbui skirtas užduotis. Jų atsakymai pateikti šalia mažesniu šriftu. Po uždavinių sprendimo pavyzdžių yra skyreliai „Pasitikrinkite pažangą“ Jų užduotyse aprašyta daug gyvenimiškų situacijų, kurių nagrinėjimas ugdo ne tik dalykines, bet ir bendrąsias kompetencijas.
Vadovėlyje gausu piešinių, nuotraukų, schemų, grafikų, pavyzdžių iš artimiausios aplinkos, fizikos istorijos, informacijos apie naujausius fizikos mokslo laimėjimus. Tai pagyvina fizikos mokymosi turinį, padeda fizikos mokslą suvokti kaip žmonijos bendrosios kultūros dalį.
ŠILUMINIAI REIŠKININIAI Molekulinės kinetinės teorijos pagrindai Eu A ske IVe EE iEiIae Ee medžiagos sandarą, prisiminsite, kas yra Brauno judėjimas, difuzija, temperatūra,
nagrinėsite naują fizikinį modelį - idealiąsias
dujas, išsiaiškinsite, kodėl dujos slegia, kaip matuojama temperatūra naudojant skirtingas temperatūros skales: Celsijaus ir Kelvino. EE see EISS SEO Ee [EE apibūdinančius dydžius (slėgį, tūrį ir temperatūrą) ir jų ryšį.
1.1. Molekulinės kinetinės teorijos pagrindiniai teiginiai Makrosistemų fizikos samprata Mus supa daugybė kūnų: medžiai, automobiliai,
Ši fizikos šaka dar vadinama molekulinė fizika
atomų ar molekulių, vadinami makroskopiniais kūnais. Oras klasėje, dujos vidaus degimo variklyje, ledo gabaliukas, stiklinė vandens yra ma-
fizikos pagrindą sudaro dvi teorijos: molekulinė kinėtinė teorija ir termodinamika. Pirmoji
debesys, žmonės ir kt. Kūnai, sudaryti iš daugelio
kroskopinių
kūnų
pavyzdžiai.
Šių ir kitų kūnų
būsena nusakoma fizikiniais dydžiais, apibūdinančiais visą makroskopinį kūną: slėgiu, tūriu, temperatūra ir pan. Fizikiniai dydžiai, apibūdinantys makroskopinį kūną neatsižvelgiant į medžiagos
molekulinę sandarą, vadinami makroskopiniais
dydžiais. Dydžiai, apibūdinantys kūną sudarančias daleles, vadinami mikroskopiniais dydžiais. Tai- molekulės masė, vidutinis greitis ir
vidutinė kinetinė energija. Makrosistėmų fizika tiria dujas, skysčius ir kietuosius kūnus apibūdinančių ma-
kroskopinių ir mikroskopinių dydžių ryšį.
arba šiluminių reiškinių fizika. Makrosistemų remiasi nuostata,
kad visi kūnai sudaryti iš ne-
tvarkingai judančių dalelių, antroji — energijos tvermės dėsniu, todėl neatsižvelgia į kūnų vidi-
nę sandarą. Molekulinės kinetinės teorijos pagrindiniai teiginiai yra šie:
+ Kūnai sudaryti iš dalelių (atomų, molekulių,
jonų).
+ Tos dalelės nuolat ir netvarkingai juda. + Kūną sudarančios dalelės tarpusavyje sąveikauja — stumia arba traukia vienos kitas. Remiantis minėtais teiginiais, aiškinama ma-
kroskopinių kūnų sandara ir savybės. Toliau šio-
je temoje aptarsime molekulinės kinetinės teorijos pagrindinius teiginius.
Kūnų sandara. Molekulių matmenys Graikų filosofas Demokritas (Demokritos, apie 460 iki Kr.-apie 370 iki Kr.) teigė, kad visos medžiagos sudarytos iš mažų, plika akimi nema-
tomų, nedalomų dalelių — atomų (gr. atomos —
elektronų.
skopais atomus
vėliau - senovės Romos poetas ir mąstytojas Lukrecijus (Lucretius) poemoje „Apie daiktų pri-
gimtį“. Senovės mąstytojų hipotezes beveik po dviejų tūkstančių metų, XIX a., pirmą kartą bandymais patvirtino anglų fizikas ir chemikas Džo-
nas Daltonas (John Dalton, 1766-1844). XX a. anglų
fizikas
Ernestas
Rezerfordas
(Ernest Rutherford, 1871-1937) eksperimentais pagrindė atomo sandarą ir pasiūlė planetinį atomo modelį. Pagal jį atomas sudarytas iš teigiamą krūvį turinčio branduolio ir aplink jį skriejančių
tuneliniais mikro-
pavyko pamatyti — gauti mole-
kulių ir atomų vaizdus (1.1.1 pav.).
nedalus). Po šimtmečio tas pačias mintis reiškė kitas graikų filosofas - Epikūras (Epikuros), kiek
pradžioje
XX a. pabaigoje
1.1.1 pav.
„Atomas - mažiausia chemiškai nedaloma medžiagos dalelė. Atomai jungiasi vieni su kitais, sudarydami molekules. Molekulę sudaro nedidelis skaičius atomų, palyginti su jų skaičiumi
kūne. Molėkulė (lot. molekula - mažytė masė)
dymas rodo, kad 0,001 cm? dydžio aliejaus lašas
pasklinda 5000 cm? plote. Žinant plėvelės plotą, galima apskaičiuoti jos storį, taigi ir molekulės skersmens ilgį:
=
0001Lem? 5107 Gijemr = 2107 em.
(1)
yra mažiausia medžiagos dalelė, kuriai būdingos pagrindinės tos medžiagos cheminės savybės. Yra ir vienatomių molekulių.
muo
Kad molekulės yra labai mažos, galima įsitikinti atliekant paprastą bandymą. Ant vandens
yra dviejų trijų šimtamilijonųjų centimetro dalių dydžio (apie 10“ cm). Molekulių matmenis
reikia užlašinti lašą aliejaus ir palaukti, kol jis pasklis vandens paviršiuje. Kai susidariusios plė-
velės storis prilygs vienos molekulės
matme-
nims (skersmeniui), aliejus nustos plėstis. Ban-
Tikslesni matavimai rodo, kad molekulių skers-
įprasta
(jeigu
reikšti
molekules
laikysime
nanometrais.
rutuliukais)
Molekulės
skers-
mens ilgio matavimo etalonu laikomas 107!" m = = 0,1 nm ilgis. Pačios mažiausios helio moleku-
lės skersmuo yra 0,2 nm ilgio.
Molekulių judėjimas Medžiagą sudarančios molekulės ir atomai juda
netvarkingai. Šis judėjimas vadinamas šiluminiū
judėjimu. Mechaninį judėjimą pastebėti nesun-
ku. Matome važiuojantį automobilį, ropojantį va-
balą, einantį žmogų ir pan. Kūną sudarančių dalelių judėjimą (šiluminį judėjimą) įsivaizduoti nelengva. Šiluminis judėjimas būdingas kiekvienam mus supančiam kūnui: vandens lašeliui, dujų pripildytam balionui, ledo gabaliukui, žmogaus
mų ir molekulių šiluminio judėjimo, vadinami
skysčio molekulių (1.1.3 pav.). Atsitiktiniai jų
smūgiai nekompensuoja vieni kitų. Net ir maža atstojamoji šių smūgių jėga priverčia skystyje
plaukiojančią lengvą dalelę judėti. Vadinasi, ne-
nutrūkstamo dalelių judėjimo skystyje priežastis — nuolatiniai jų susidūrimai su skysčio mo-
lekulėmis. Toks netvarkingas dalelių judėjimas buvo pavadintas Brauno judėjimu. Taigi Brauno judėjimas - skysčiuose (arba dujose) esančių dalelių šiluminis judėjimas.
šiluminiais reiškiniais. Rasos ir rūko susidary-
mas, ledo tirpimas, vandens virimas, dujų skystė-
jimas — tai vis šiluminiai reiškiniai, kuriuos nagri-
nėja makrosistemų fizika.
Ci
Šiluminį judėjimą aptiko škotų botanikas Ro-
2
bertas Braunas (Robert Brown,
1773-1858). At-
likdamas bandymus, 1827 m. jis pastebėjo, kad žiedadulkės vandens lašelyje nuolat netvarkingai
1 pagrindai
juda (1.1.2 pav.). Kodėl jos juda, mokslininkas
p
9 £ “ E £ “ £k r E £ 3k a E] z
paaiškinti negalėjo. Jis iškėlė hipotezę, kad kai kurioms organinėms medžiagoms būdinga „gyvoji jėga“. Tačiau dujose ir skystyje juda ir neorganinės kilmės dalelės.
Dalelių
judėjimo
paaiškino Albertas
skystyje
Einšteinas
priežastį
11.2 pav.
1905 m.
(Albert Einstein).
Pasak jo, skystyje plaukiojančių dalelių judėjimą sukelia netvarkingas to skysčio molekulių
judėjimas. Tuo pat metu į dalelę atsitrenkia daug
113 pav.
Jis niekada nesiliauja. Einšteinas teoriškai įrodė,
ar dulkelių
skaičiaus, masės ir dydžio.
jami jautrūs prietaisai, kurių rodyklės ima virpėti dėl aplinkos atomų šiluminio judėjimo. Toks
kaip Brauno judėjimas priklauso nuo molekulių Brauno
judėjimą galima
stebėti ne tik skys-
čiuose, bet ir dujose. Tikriausiai teko matyti rūko
Medžiagos
dalelių
judėjimą
judėjimą
saulės
spindulių
pluošte.
Moderniose technologijose matavimams naudovirpėjimas taip pat vadinamas Brauno judėjimu.
patvirtina difū-
zija (lot. diffusio — sklidimas, išsiliejimas). Ji la-
bai svarbi gyvojoje gamtoje. Dėl difuzijos maisto
medžiagos patenka iš žarnyno į kraują, deguo-
nis — į žmogaus organizmą, vanduo ir minera-
linės medžiagos — į augalų šaknis (1.14 pav.). Difūzija vadinamas savaiminis skirtingų
medžiagų maišymasis. Ją paaiškina moleku-
linė kinetinė teorija: skirtingos medžiagos susimaišo dėl to, kad jų molekulės juda. Dėl difuzi-
jos užtiškęs rašalas įsigeria į stalą, sklinda kvapai. Difuzija vyksta ne tik dujose bei skysčiuose, bet
ir kietuosiuose kūnuose. Bandymai ir aplinkos reiškiniai rodo, kad di-
fuzija priklauso nuo temperatūros. Kylant temperatūrai, difuzija vyksta sparčiau, nes greičiau juda medžiagas sudarančios molekulės.
Molekulių sąveika Medžiagos molekulės tarpusavyje sąveikauja —
veikia vienos kitas traukos ir stūmos
jėgomis.
Dėl traukos jėgų molekulės sudaro skysčius ir
kietuosius kūnus. Jeigu šios jėgos neveiktų, mo-
lekulės išsisklaidytų ir visos medžiagos būtų du-
jinės. Molekulių tarpusavio trauka galima paaiš-
kinti medžiagų litavimą ir klijavimą. Dėl stūmos jėgų medžiagos priešinasi gniuždymui — skysčius
ir kietuosius kūnus sunku suspausti. Kokia yra
šių jėgų prigimtis?
Molekulė sudaryta iš atomų, o šie — iš teigia-
mąjį
krūvį
turinčių
branduolių
ir neigiamąjį
krūvį turinčių elektronų. Atomai yra elektriškai
neutralūs, nes teigiamasis jų krūvis lygus neigiamajam krūviui. Tokios pat yra ir molekulės, ta-
čiau jos veikia vienos kitas elektrinėmis jėgomis, nes sąveikauja gretimų molekulių branduoliai ir
elektronai. Žinome, kad vienarūšiai krūviai vie-
ni kitus stumia, o įvairiarūšiai traukia. Todėl gretimų atomų branduoliai (taip pat ir elektronai)
vieni kitus stumia, o gretimų atomų branduoliai
ir elektronai traukia. Vadinasi, molekulių tarpusavio sąveika yra elektrinė. Molekulių sąveikos jėgų atstojamoji lygi stūmos ir traukos jėgų modulių skirtumui. Kaip šios atstojamosios modulis
priklauso nuo atstumo tarp molekulių?
Norėdami tai suprasti, pirma išsiaiškinkime traukos ir stūmos jėgų kitimą. 1.1.5 paveiksle
pavaizduota
dešiniąją
molekulę
veikiančių
jėgų modulio priklausomybė nuo atstumo. Kai
atstumas tarp molekulių (arba atomų) yra 2-3 kartus
didesnis
už
molekulės
skersmenį,
stū-
mos jėgos lygios nuliui ir reiškiasi tik traukos jėgos. Dvi viena prie kitos artėjančias molekules
veikia traukos ir stūmos jėgos, tačiau dominuo-
ja traukos jėgos. Kai atstumas tarp molekulių
centrų pasidaro lygus molekulių spindulių ilgių
r„sumai, stūmos jėgos padidėja tiek, kad susilygina su traukos
jėgomis.
Tai dviejų molekulių
pusiausvyros padėtis. Tuomet stūmos ir traukos
jėgų atstojamoji lygi nuliui: F. = 0. Toliau ar-
tinant molekules, stūmos jėgos persveria traukos jėgas ir ima labai sparčiai didėti, kai atomų apvalkalai pradeda dengti vieni kitus. Stūmos jėgos stengiasi grąžinti molekules į pusiausvyros padėtį. Tiek molekulių stūmos, tiek traukos jėgos vadinamos
artisiėkėmis jėgomis, nes, atstumui
didėjant, jos greitai silpnėja. Kai atstumas tarp molekulių yra didesnis už 10 m (tai prilygs-
ta dešimčiai molekulių skersmenų), jų sąveikos jėgų galima nepaisyti.
Nanotechnologijos' mokslo pradininkas fizikas Ričardas Feinmanas (Richard Feynman) rašė: „Jeigu, įvykus kokiai nors pasaulio katastrofai, visos sukauptos mokslo žinios būtų sunaikin=tos ir ateities kartoms išliktų tik viena frazė, tai
Ką vadiname Brauno judėjimu? Kaip šis judė-
žodžių, suteiktų daugiausia informacijos? Aš
Plunksna nukrinta greičiau už mažą dulkelę.
yra sudaryti iš atomų — mažų kūnelių, kurie nuolat juda, būdami nedideliais atstumais traukia vienas kitą, bet glaudžiau prispausti vienas nuo kito atsistumia.“ Vienoje toje frazėje, kaip jūs įsitikinsite, slypi neįtikėtinas kiekis informacijos apie pasaulį, reikia tik trupučio vaizduotės ir šiek tiek nuovokos.“ Kiek molekulinės kinetinės teorijos pagrindinių teiginių randate šioje citatoje? Įvardykite juos.
Paaiškinkite litavimą, klijavimą ir dažymą.
koks teiginys, sudarytas iš mažiausio skaičiaus manau, kad tai atominė hipotezė: „Visi kūnai
jimas priklauso nuo temperatūros? Pateikite pavyzdžių.
Kodėl smulkios augalų sporos skystyje juda labai intensyviai, o stambios — vos pastebimai?
Kodėl?
Palyginkite difuzijos greitį dujose, skysčiuose
ir kietuosiuose kūnuose.
Paieškokite internete interaktyvių mokymosi
objektų, susijusių su difuzijos reiškiniu, kūną sudarančių dalelių judėjimu. Remdamiesi jais, išsiaiškinkite, kaip difuzija priklauso nuo aplinkos temperatūros.
1 pagrindai
"Plačiau apie nanotechnologiją skaitykite 1.9 temoje „Nanotechnologija ir jos taikymas praktinėje veikloje“ "Karazija R. Fizika humanitarams: klasikinė fizika. D. 1. V: TEV, 1996. P. 99.
—
“ 2 9 £ “ E g “ £k r E £ 3= a Cl z
1.1.5 pav.
1.2. Medžiagos kiekis. Molekulių masė Medžiagos kiekio nustatymas. Avogadro konstanta Apie medžiagos kiekį galima spręsti iš ją su-
darančių dalelių skaičiaus. Kuo daugiau dalelių,
tuo didesnis medžiagos
kiekis. Bet kurią me-
džiagą sudaro nepaprastai daug molekulių. Bandymais
nustatyta,
kad
normaliomis
sąlygomis
(esant 0 *C temperatūrai ir 760 mm Hg slėgiui)
viename
kubiniame
centimetre bet kokių dujų
yra apie 2,7 - 10" molekulių. Kad galėtume ge-
riau suvokti, koks tai skaičius, palyginkime jį su mums įprastais dydžiais. Jei tiek plytų, kiek
molekulių yra 1 cm? dujų normaliomis sąlygomis, glaudžiai sudėtume vieną šalia kitos, jos pa-
dengtų visą Žemės rutulio sausumą 120 m storio sluoksniu (šis storis maždaug 4 kartus didesnis už septyniaaukščio namo aukštį).
Kaip apskaičiuoti medžiagą sudarančių dalelių skaičių? Šiai problemai spręsti pasitelkime
buitinį pavyzdį. Parduotuvėje pirkdami smulkių daiktų, pavyzdžiui, saulėgrąžų sėklų, jų neskaičiuojame vienetais (neperkame 500 saulėgrąžų sėklų), o norimą pirkinio kiekį reiškiame masės vienetais (perkame
100 g saulėgrąžų sėklų).
Nustatant medžiagos kiekį, taip pat nurodomas ne absoliutusis, bet santykinis jos dalelių skaičius. Medžiagos dalelių skaičius palyginamas su
lekulių arba atomų yra tiek pat, kiek 12 g
anglies izotopo
atomo masę, galima turi 12 g anglies:
1
atomų
=
|
(normaliomis sąlygomis) yra 6,02 - 1095 dalelių". Matavimo
vienetas mol“! rodo, kad N, yra ato-
mų skaičius viename molyje medžiagos. XIX a.
italų mokslininko Amadėjo Avogadro (Amedeo
Avogadro) garbei dalelių skaičius viename moly-
je buvo pavadintas Avogadro konstanta“. Medžiagos kiekis v lygus tam tikro kūno molekulių skaičiaus N ir Avogadro konstantos N, santykiui, t. y. molekulių skaičiui
viename molyje:
v- J.
(1.2)
Molekulių masė
Molio masė Skirtingų medžiagų (vandenilio, helio, deguo-
nies ir pan.) viename
molyje yra tiek pat ato-
mų ir molekulių. Tačiau įvairių medžiagų vieno
molio masė skiriasi, nes nevienoda jų molekulės
masė (m,). Pavyzdžiui, vieno molio vandenilio
masė yra mažesnė negu helio, o helio - mažesnė negu deguonies. Medžiagos vieno molio masė vadinama molio masė (M):
M = mN,moliui (kg/mol).
kg,
kiek
Taigi viename molyje bet kokios medžiagos
vadinamas medžiagos kiekis, kuriame mo-
molio
apskaičiuoti,
N, = 0,012 mol 1995-10 kg = 6,02 -10* mol“!.
jų skaičiumi, esančiu viename molyje. Moliū
Medžiagos
('2C)!. Žinant vieno anglies
masė
(1.3)
reiškiama kilogramais
Medžiagos masė lygi vienos molekulės masės
m, ir molekulių skaičiaus N sandaugai:
Kūnai yra sudaryti iš daugybės labai mažų molekulių. Norint apskaičiuoti vienos molekulės
masę (m,), reikia medžiagos masę (m) padalyti iš
molekulių skaičiaus (N):
m, =T =
= 1
(1.6)
Molekulės masė yra labai maža — apie 10“? g.
Todėl paprastai skaičiuojama ne absoliučioji, bet santykinė jos vertė. Atomų
ir molekulių
masės
s 1 ši r lyginamos su 55 anglies atomo masės. Sis sprendimas buvo priimtas dėl to, kad anglis įeina į daugelio cheminių elementų sudėtį, antra vertus, daugiklis —
priartina santykinių atominių
(1.4)
masių vertes prie sveikųjų skaičių. Medžiagos
Atsižvelgę į 1.3 ir 1.4 formulę, medžiagos kiekį
"Vienas molis dujų normaliomis sąlygomis (t 0*C, p 1,013- 10? Pa) užima tūrį, lygų 22,4 litro. "Spalio 23-iąją nuo 6.02 h ryto iki 6.02 h vakaro (18.02 h) chemikai švenčia molekulės arba molio dieną. Ši data pasirinkta dėl Avogadro konstantos, kuri lygi 6,02 10". "Mokslo istorija byloja, kad šį skaičių 1865 m. pirmasis gavo Johanas Jozefas Lošmitas (Johann Joseph Loschmidi). Todėl Vokietijoje šis skaičius iki šiol vadinamas Lošmito skaičiumi.
m=
mN.
(1.2) galime išreikšti medžiagos masės ir jos molio masės santykiu:
y=
(1.5)
11
santykinė molekulinė masė M, vadinamas tos medžiagos molekulės masės m, ir + anglies atomo masės im, santykis:
M,=—
257I
m
(1.7)
Elemento santykinė atomine masė A, vadina-
mas vidutinės elemento atomo masės ir 5 anglies atomo masės santykis. Cheminių elementų santykinės atominės
ma-
sės yra tiksliai išmatuotos ir pateiktos periodinėje cheminių elementų lentelėje. Norint apskaičiuoti
C
Apibūdinkite molekulių masę ir skaičių.
G)
Įrodykite, kad kiekvienos medžiagos mole-
kulių skaičių galima išreikšti formule
N= N, Zi.
„Apskaičiuokite, kiek molekulių yra 290 g val-
gomosios druskos.
(2,98: 102)
Įrodykite, kad molio masę M ir santykinę molekulinę masę M, sieja ryšys
M = 10*M, kg: mol !.
Apskaičiuokite azoto N, molio masę.
p
E E] z
dėti tos medžiagos molekulę sudarančių elemen-
tų santykinės atomines mases. Pavyzdžiui, apskai-
čiuokime NaCl (valgomosios druskos) santykinę
molekulinę masę. Kadangi natrio santykinė ato-
minė masė lygi 23, o chloro— 35, tai NaCl santykinė molekulinė masė lygi 23 + 35 = 58. Atkreipiame jūsų dėmesį į tai, kad daug šioje temoje aptartų sąvokų ir dydžių nagrinėjote per
chemijos pamokas. Todėl, atliekant šios temos užduotis, siūloma pavartyti chemijos dalyko užrašus.
Kiek molekulių yra trijuose moliuose deguonies; helio? „Apskaičiuokite 30 mol anglies dioksido masę.
(1.32 ką)
Šaukštelis, kurio paviršiaus plotas 15 cm“, padengtas plonu 2 ym storio sidabro sluoksniu. Apskaičiuokite, kiek sidabro atomų yra šiame sluoksnyje. (1.756:10*0) Prisiminkite, ką apie kūną sudarančių molekulių ir atomų masę, jų skaičių sužinojote per chemijos pamokas.
1.3. Idealiosios dujos. Jų molekulių greitis
1 pagrindai
“ 2 9 8 “ E g “ £k r E E =El
medžiagos santykinę molekulinę masę, reikia su-
Idealiosios dūjos yra fizikinis realiųjų dujų modelis. Jos labai panašios į praretintas realiąsias dujas, kuriose vidutinis atstumas tarp molekulių
yra daug didesnis už jų matmenis. Idealiosioms dujoms būdingos šios savybės:
+ molekulių tūris yra labai mažas, palyginti su
indo tūriu;
+ molekulių neveikia traukos jėgos;
+ molekulių
judėjimo (kinetinė) energija yra
daug didesnė už jų tarpusavio sąveikos (potenci-
nę) energiją;
+ molekulių
stūmos
jėgos atsiranda tik tada,
kai molekulės susiduria viena su kita arba su indo sienelėmis;
+ molekulių smūgiai yra tamprūs.
Vakuumas Kaip minėjome, fizikinis modelis — idealiosios
nesusiduria. Vadinasi, molekulių laisvasis kelias
smarkiai praretintos realiosios dujos vadinamos
susidūrimo iki kito) sutampa su indo matmeni-
dujos — yra praretintos
vakuumu
(tuštuma).
realiosios
Vakuumas
dujos.
(t. y. atstumas, kurį molekulė nulekia nuo vieno
Labai
skirstomas
superdidelį, didelį, vidutinį ir mažą. Kai vakuumas yra superdidelis, dujų molekulės, nulėkdamos nuo vienos indo sienelės iki kitos, beveik
į
mis. Šiuolaikinė vakuuminė technika dujas gali praretinti tiek, kad jų slėgis siektų tik 107! Pa. Superdideliu vakuumu pagrįstos tikslios elektroninės technologijos.
Dujų molekulių greičių įvairovė tingais greičiais. Susiduriančių molekulių greitis nuolat kinta. Norėdami geriau įsivaizduoti, kokie
tokiu greičiu. Vieni rieda mažesniais greičiais, kiti, kurių vairuotojai nepaiso kelių eismo taisyklių reikalavimų!, — didesniais, tačiau daugu-
kime automobilių judėjimo pavyzdžiu. Žinome,
molekulėmis. Dauguma jų juda artimais viduti-
Dujų molekulių yra labai daug ir jos juda skir-
skirtingi yra dujų molekulių greičiai, pasinaudo-
kad didžiausias leidžiamasis automobilių greitis kelyje Vilnius-Kaūnas yra 110 km/h. Tačiau tai nereiškia, kad visi automobiliai
ma laikosi ribinio greičio. Panašiai yra ir su dujų niam
lėčiau.
greičiais, bet yra ir judančių greičiau bei
važiuoja būtent
Dujų molekulių judėjimo
trajektorijos
Molekulių judėjimo greitis prilygsta patrankos sviedinio judėjimo greičiui. Tačiau, nepaisant didelių molekulių judėjimo greičių, kvapai
plinta lėtai. Šį prieštaravimą galima paaiškinti
atsižvelgiant į molekulių susidūrimus, dėl kurių jos juda sudėtingomis laužtėmis (1.3.1 pav.).
Apskaičiuota,
kad
kiekviena
azoto
molekulė,
esant 09C temperatūrai ir normaliam atmosfe-
ros slėgiui, per Is susiduria su kitomis mole-
kulėmis apie 7,5 milijardo kartų. Jos kelias nuo vieno susidūrimo iki kito siekia vos 6 + 10“ cm. Molekulė labai greitai juda laužte, tačiau jai nu-
1.3.1 pav. skrieti nuo vieno taško (A) iki kito (B) prireikia kelių dešimčių sekundžių. Mat laužte molekulė nueina daug ilgesnį kelią nei jos poslinkis AB.
*Molekulių greičių matavimas
Pirmą kartą molekulių greičiai buvo išmatuo-
ti 1920 m. Vokiečių fizikas Otas Šternas (Otto Stern,
1888-1969)
atliko bandymą,
kurio metu
nustatė sidabro molekulių greičius. Bandymui jis naudojo du bendraašius cilindrus (1.3.2 pav., a).
Iš jų buvo išsiurbtas oras, vidiniame cilindre pa-
darytas siauras vertikalus plyšys, o išilgai ašies ištempta plona pasidabruota platininė viela. Tekant
elektros
srovei, platininė viela kaisdavo
ir
nuo jos paviršiaus garuodavo sidabras. Kai cilin-
"aip elgtis negalima.
13
drai nesisuko, sidabro atomai nusėsdavo ant vidinės išorinio cilindro sienelės tiesiai priešais ply-
šį, sudarydami pastebimą juostelę (1.3.2 pav., a). Cilindrams sukantis pastoviu kampiniu w,
sidabro
juostelė
atsidurdavo
kitoje
greičiu
vietoje
(1.3.2 pav., b). Mat kol sidabro atomai nueida-
vo atstumą nuo plyšio S iki išorinio cilindro, šis spėdavo pasisukti atstumu AB. Sidabro atomų judėjimo greitį galima išreikšti taip:
L
"=N*P
lo
(R, - Rijo
TS
(1.8)
Iš 1.8 formulės išplaukia, kad, norint nustatyti sidabro atomų judėjimo greitį, reikia išmatuoti kampą 6 tarp dviejų juostelės padėčių ir atstumą! = R, - R,, taip pat žinoti cilindrų sukimosi
kampinį greitį. Bandymais
išmatuoti
sidabro
atomų
greičiai
sutapo su molekulinės kinetinės teorijos numatytomis vertėmis. Eksperimento rezultatai
1.3.2 pav,a
rodo, kad sidabro atomų greitis lygus maždaug
600 m/s. Sukantis cilindrams susidariusi sidabro juostelė neturėjo tikslių kontūrų, vadinasi, esant tai pačiai temperatūrai, sidabro atomų, nusėdusių vidurinėje juostelės dalyje, greičiai savo dydžiu buvo artimi vienas kitam. Neįmanoma iš anksto
pasakyti, kokiu greičiu ir kokia kryptimi judės vienas ar kitas atomas, tačiau galima įžvelgti tam tikrą atomų pasiskirstymą pagal greičius. Dauguma atomų juda greičiais, artimais tam tikram greičiui, kuris vadinamas labiausiai tikėtinu. Mūsų pavyzdyje tai — 600 m/s greitis. Ci
2
*Idealiųjų dujų molekulių greičių statistinis aiškinimas Rasti kiekvienos dujų molekulės akimirkinį (momentinį) greitį praktiškai yra neįmanoma,
1 pagrindai
Statistiškai įvertinant dujų molekulių
judėji-
mo greičius, nebūtina matuoti kiekvienos mole-
todėl nagrinėjama tikimybė, kad idealiųjų dujų
kulės greitį. Šiuo atveju svarbi greičio vidutinė
Džeimsas Klarkas Maksvelas (James Clark Max-
čiuojant dujų
molekulė
p
8 £ “ E g 7 gk r E £ 3= a E] z
turi vienokį
ar kitokį
greitį.
XIX a.
well) teoriškai įrodė, kad galima nustatyti, kuri
dalis molekulių juda tam tikru greičiu. Ta greičio vertė, kurią apytiksliai įgyja didžiausia dalis molekulių, vadinama tikimiausiuoju greičiū.
Dujų molekulių greičiams matematinė statistika.
nagrinėti
taikoma
vertė, arba greičio vidurkis. molekulių
kvadrato vidurkis:
slėgį, imamas
Z7-Aiutui
7
Pavyzdžiui, skai-
“
"i
greičio
(19)
Greičio vektoriaus modulio kvadratas lygus jo projekcijų koordinačių ašyse kvadratų sumai. Kryptys Ox, Oy ir Oz dėl netvarkingo moleku-
lių judėjimo yra lygiavertės, todėl greičio vekto-
riaus projekcijos kvadrato vidurkis lygus į greičio kvadrato vidurkio:
Dujų
molekulių
(1.10)
1Ž0.
sl
=
greičių
skirstinį
galima
pa-
vaizduoti grafiškai. 1.3.3 paveiksle matote, kaip
pasiskirsto azoto molekulių greičiai, esant 100 K
200 | 400
1000
Kas būdinga idealiosioms dujoms? Išvardyki-
te pagrindinius jų požymius.
Apskaičiuokite savo rankos pirštų ilgio
vidurkį.
ir 1000 K temperatūrai!. Koordinačių sistemos
horizontaliojoje ašyje atidėtas molekulių greitis, vertikaliojoje ašyje — molekulių skaičius. Įkai-
tusių dujų molekulių greičiai didesni, todėl jų skirstinį vaizduojanti kreivė horizontalia kryptimi yra platesnė. Šį skirstinį apibūdina vadinamoji Maksvelo funkcija. Daugiau apie tai sužinosite mokydamiesi fizikos aukštojoje mokykloje.
100
ia) 20 0 20
Is
m,
Atliekant Šterno bandymą, išorinio cilindro
vidiniame paviršiuje atsiradęs ruoželis buvo išblukęs. Kokią išvadą galima iš to padaryti?
Išorinio cilindro (žr. 1.3.2 pav.) skersmens
Kam lygus molekulių greičio projekcijos Ox ašyje vidurkis?
ilgis 25 cm, vidinio - 8 cm. Cilindrai sukasi
Apibūdinkite dujų molekulių judėjimo greitį,
sidabro juostelės padėčių.
judėjimo trajektoriją.
Kiek kartų galima apjuosti Žemę per pusiaują virvele, sudaryta iš 1 cm? esančių deguonies molekulių? Deguonies molekulės skersmuo yra 3:10 V m ilgio. (200 kartų)
Ar galima Šterno metodu nustatyti vienos molekulės greitį? Jei manote, kad taip, atsakymą pagrįskite.
"Pagal Celsijaus skalę temperatūra lygi -173 €C ir 727 C.
50 Hz dažniu. Sidabro atomų greitis lygus 600 m/s. Apskaičiuokite kampą p tarp dviejų
(5,19)
Kokiu greičiu Šterno bandyme judėjo sidabro garų molekulė, jei jos kampinis poslinkis, įrenginiui sukantis 150 s ! dažniu, sudarė 5,49, o atstumas tarp išorinio ir vidinio
cilindro buvo 2 cm?
(200 m/s)
Paieškokite internete virtualių mokymosi
objektų. paaiškinančių dujų molekulių judėjimą. Stebėkite, kaip kinta dujų molekulių greitis, kintant temperatūrai.
1.4. Idealiųjų dujų slėgis. Molekulinės kinetinės teorijos pagrindinė lygtis Idealiųjų dujų slėgio aiškinimas Remiantis idealiųjų dujų modeliu, galima paaiškinti šių dujų slėgį. Dujų atomai ar molekulės juda dideliais greičiais (didesniais už garso greitį ore), dideliais nuotoliais ir nuolat susiduria su indo, kuriame yra, sienelėmis (1.4.1 pav.). Kiekviena molekulė per labai trumpą laiką paveikia sienelę nedidele jėga (1.4.2 pav.). Susumavus visas šias jėgas, gaunama atstojamoji jėga, kurią galima išmatuoti. Atstojamoji jėga, tenkanti plo-
to vienetui, yra dūjų slėgis. Kadangi molekulės juda visomis kryptimis vienodai, tai slėgis į visas indo sieneles taip pat vienodas. Jį matuojant, manometras
rodo vidutinę laiko atžvilgiu jėgą,
veikiančią kiekvieną sienelės ploto elementą.
Akivaizdu, kad dujų slėgis yra tuo didesnis, kuo daugiau molekulių per tam tikrą laiką susiduria su indo sienelėmis ir kuo didesniu greičiu jos juda. Norėdami įtvirtinti idealiųjų dujų slėgio sam-
pratą, atlikite nesudėtingą bandymą. Tarp dviejų
143 pav. knygų įdėkite popieriaus lapą ir ant jo vienoda
srovele berkite smėlį (1.4.3 pav.). Popieriaus lapas palinksta, tarytum jį veiktų pastovi jėga. TaČiau iš tikrųjų popierius deformuojasi dėl atskirų smėlio kruopelių poveikio.
*Molekulinės kinetinės dujų teorijos pagrindinė lygtis Molekulinės
kinetinės
dujų
teorijos
pagrin-
dinė lygtis sieja makroskopinį dydį — dujų slėgį - su mikroskopiniais dydžiais, apibūdinančiais
molekules ir jų judėjimą. Ją išvedant, remiamasi
nuostata, kad idealiųjų dujų molekulės sąveikauja su indo sienelėmis pagal mechanikos dėsnius
t
2
1 pagrindai
14.1 pav.
Jėga
Jėga vieno
susidūrimo
metu
Vidutinė jėga
p
8 £ “ E g “ gbi r E £ 3E £ E z
taip pat kaip tamprieji kūnai. Apskaičiuokime cilindre esančių dujų slėgį į stūmoklį (1.4.4 pav.). Jei stūmoklis yra statmenas
14.2 pav.
Laikas
šome
į 1.11 formulę.
Gauname
molekulinės
i
i
si
kinėtinės dūjų teūrijos pagrindinę Iygtį: p=
Lamu.
(1.14)
Ji idealiųjų dujų makroskopinį dydį — slėgį p -
14,5 pav.
išreiškia mikroskopiniais dydžiais: dujų moleku-
[5 |=|šą|
lės mase mų, molekulių koncentracija n ir greičio
koordinačių ašiai Ox, tai dujų slėgis p lygus jėgos
IF (visų stūmoklį veikiančių molekulių jėgų atstojamosios) ir stūmoklio ploto S santykiui:
(1.11) Norėdami
rasti
jėgų
atstojamąją,
pirma
turi-
me sužinoti, kokio dydžio jėga stūmoklį veikia viena molekulė.
Ją apskaičiuojame
remdamiesi
kvadrato vidurkiu +*. Idealiųjų dujų slėgis yra tiesiogiai proporcingas molekulės masės, molekulių skaičiaus tūrio vienete ir mole-
kulių greičio kvadrato vidurkio sandaugai.
1.14 lygties dešiniąją pusę padauginę ir padaliję
iš 2 ir atsižvelgę į tai, kad vienos molekulės ki-
mo?
netinė energija E, = „ molekulinės kinetinės 2 dujų teorijos pagrindinę lygtį galime užrašyti taip:
antruoju Niutono dėsniu ir atsižvelgę į tai, kad
(1.15)
Av, = |v-04| = 20, (1.4.5 pav.):
. F 1x = mą
Randame
dujų
20,
(1.12)
Ai
molekulių,
susiduriančių
su
stūmokliu, skaičių. Per laiką At į stūmoklį atsitrenkia tik tos molekulės, kurios spėja jį pasiekti (1.4.6 pav.):
AN = ŽnAV = LnSo At.
1.13
formulėje
dydis
n žymi
Vadinasi, idealiųjų dujų slėgis yra tiesio; proporcingas molekulių slenkamojo judėjimo vidutinei kinetinei energijai.
(1.13)
molekulių
kon-
centraciją, o daugiklis l reiškia, kad stūmoklio link juda tik pusė visų išilgai Ox ašies lekiančių molekulių. Stūmoklį veikiančių molekulių jėgų atstojamoji lygi vienos molekulės sukeltos
jėgos F,, ir molekulių skaičiaus AN sandaugai.
Atsižvelgę į tai, 1.12,
1.13 ir 1.10 išraiškas įra-
(kia „Molekulinės kinetinės teorijos požiūriu paaiškinkite dujų slėgį. Kaip pakis dujų slėgis, jeigu molekulių kon-
Per biologijos pamokas nagrinėjote žmogaus ausies sandarą. Paaiškinkite, kodėl žmogus girdi. Pagrįskite, kodėl ausies būgnelis neplyšta dėl veikiančio jį iš išorės oro slėgio.
greitį dvigubai padidinsime?
Išvardykite molekulinės kinetinės dujų teorijos pagrindinės lygties išvedimo etapus. Internete paieškokite informacijos apie vakuumo sukūrimo technologijas technikoje, apie vakuumo susidarymą žmogaus kūne. Pasidomėkite, kur praktikoje taikomas vakuumas.
centraciją perpus sumažinsime, o vidutinį
G)
Per geografijos pamokas sužinojote apie Zemės atmosferos sluoksnius. Internete suraskite informacijos apie juos. Kuriuose šių
sluoksnių oras yra artimiausias idealiosioms dujoms? Atsakymą pagrįskite.
17
Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Oro molekulių koncentracija normaliomis sąlygomis yra 2,7 10* m“?. Apskaičiuokime oro molekulių vidutinę kinetinę energiją.
Sprendimas Taikome
Sprendimas Iš molekulinės kinetinės dujų teorijos pagrindinės lygties išreiškiame oro molekulių vidutinę kinetinę energiją: 21
E:
P,> šali
3pį SPE
E|
=
dujų teorijos
p= Zum".
a)
Tankį galime išreikšti taip: m,N e-=1-T2D-= mp.
(2)
p= žev.
T, = 2735 Es > 36010] 3-10*Pa
pagrindinę lygtį
kinetinės
Gautą tankio išraišką įrašome į 1 lygtį:
Įrašome dydžių vertes ir apskaičiuojame: T
molekulinės
+10721
Iš čia dujų tankis
Atsakymas. 5,6 - 1072! J.
3p
8= K
2*. Apskaičiuokime deguonies tankį, esant 1,3 -10* Pa slėgiui, kai yra žinoma, kad deguonies molekulių vidutinis kvadratinis greitis! yra
Apskaičiuojame jo vertę:
1,4 - 105 m/s.
IBA Tim e- BLB
0,199 kg/m? ik= 0,2 kg/m.3
Atsakymas. 0,2 kg/mš.
Pasitikrinkite pažangą
Inde esančių dujų molekulių koncentracija
(3)
2-10* m“, jų greičio kvadrato vidurkis 10“ m*/s?, vienos molekulės masė 5 10* kg.
Apskaičiuokite dujų slėgį. CO
“
2
Deguonies dujų slėgis 1 MPa, o jų molekulių
vidutinis greitis 700 m/s. Apskaičiuokite de-
guonies molekulių koncentraciją.
(1415-10m *)
('3.) Inde, kurio tūris 5 m, yra 5 kg dujų. Jų molekulių greičio kvadrato vidurkis lygus
4,9: 107 m*/s?. Apskaičiuokite dujų slėgį. 1 pagrindai
(1,6 10 Pa)
Deguonies slėgis 3,01 * 10? Pa, tankis
2kg/m*. Apskaičiuokite vienos deguonies molekulės vidutinę kinetinę energiją.
centracija 5 * 10? m'*. Apskaičiuokite tų dujų atomų vidutinę kinetinę energiją.
(9-107])
Apskaičiuokite deguonies tankį, esant
1,3 *109 Pa slėgiui. Yra žinoma, kad deguo-
nies molekulių vidutinis kvadratinis greitis lygus 1,4-10* m/s.
Esant 1,210? Pa slėgiui, 1 m? dujų yra
210 molekulių. Jų vidutinis kvadratinis
greitis lygus 600 m/s. Apskaičiuokite molekulės masę.
(5-10* kg)
2:m* tūrio inde yra idealiųjų dujų, kurių vi-
dinė energija lygi 450 kJ. Apskaiči okite šių dujų slėgį. (1.5-105 Pa)
(12-10)
—
9 £ “ E g “ £k r E £ 3= £ E z
(33-10 Pa)
Vienatomių dujų slėgis 30 kPa, atomų kon-
MVidutiniu kvadratiniu greičiu vadinama kvadratinė šaknis iš greičio kvadrato vidurkio: 8 = VV".
1.5. Temperatūra ir jos matavimas Termometrų įvairovė Temperatūros matavimas turi svarbią praktinę reikšmę. Matuojama oro, vandens, žmogaus kūno, ugnikalnių lavos, dangaus kūnų ir t. t.
temperatūra. Paprasčiausia tai galima padaryti ranka paliečiant kūną, kurio temperatūrą nori-
ma sužinoti. Tačiau toks temperatūros matavimo būdas yra subjektyvus ir netikslus, o kartais —
neįmanomas. Pavyzdžiui, taip negalima nustaty-
ti dangaus kūnų, lydomo metalo gabalo ir kitų
kūnų temperatūros.
Pirmieji prietaisai temperatūrai
matuoti
buvo
sukurti jau iki Kr. Tikslesnį termometrą, dar
neturintį
Galilėjus
skalės,
(Galileo
1592 m.
Galilei).
sukonstravo
Tai
buvo
Galileo
stiklinis
vamzdelis su jo gale užlydytu stikliniu rutuliuku (1.5.1 pav.). Orui rutuliuke atvėsus, vandens
stulpelis pakildavo vamzdeliu,
15.1 pav.
sušilus — nusi-
leisdavo. Šiuolaikiniais Galilėjaus termometrais
temperatūra matuojama remiantis skysčių tankio
priklausomybe nuo temperatūros (1.5.2 pav., a).
Prie skysčių pripildytų rutuliukų prikabinamos
plokštelės su užrašyta temperatūros verte. Aplin-
kos temperatūra nustatoma pagal viršutinėje dalyje žemiausiai esantį rutuliuką (1.5.2 pav., b).
Temperatūrai matuoti šiuo metu naudojami įvairūs termometrai: skystiniai, dujiniai, bime-
22*C 15.2 pav, a
24*C
15.2 pav, b 19
15.33 pav,a
taliniai, infraraudonųjų
(1.5.3 pav.). Nevienodos
153 pav,b
1.5.3 pav, C
1.5.3 pav, d
spindulių, elektroniniai | susiglaudžia. Krokai reaguoja į 0,5 *C tempera-
konstrukcijos
metrų veikimo principai yra skirtingi.
termo- | tūros pokyčius.
Aplinkoje galima įžvelgti gamtinių termome-
trų. Savotiškas gamtinis termometras gali būti
LLA
LO
gėlė, vadinama kroku (1.5.4 pav.). Kai temperatūra kyla, jos žiedai išsiskleidžia, kai krinta—
1 pagrindai
MIA
1.53 pav, e
1
Temperatūros matavimas. Šiluminė pusiausvyra Temperatūrą galima išmatuoti tik nusistovėjus | kūną, makroskopiniai jų dydžiai (temperatūra, šilti, šiluminei pusiausvyrai. š patirties žinome, kad | slėgis, tūris) kinta. Šaltas kūnas pradeda š kūnai būna šilti ir šalti. Sulietus karštą ir šaltą | karštas — vėsti. Po tam
tikro laiko abiejų kūnų
temperatūra susilygina ir toliau nebekinta. Sakoma, kad kūnai pereina į šiluminės pusiausvyros
būseną. Šiluminės pusi4usvyros būsena vadiname tokią būseną, kai visi makrosko-
piniai dydžiai yra pastovūs. Nusistovėjus Šiluminei pusiausvyrai, kūno tūris, slėgis ir temperatūra nekinta, o jei turime kūnų sistemą, tai
Matuojant temperatūrą skystiniu termometru,
jis suliečiamas su kūnu. Kai termometrinio skysčio temperatūra susilygina su kūno temperatūra,
nusistovi šiluminė pusiausvyra. Tada skystis termometro vamzdelyje nustoja plėstis. Pagal skys-
čio stulpelio
pakilimo
aukštį
nustatoma
kūno
temperatūra.
vienoda yra visų jos dalių temperatūra.
Temperatūros matavimas. Celsijaus termometras Išmatuoti kurį nors fizikinį dydį — tai palyginti ji su to dydžio etalonu. Matuojamos tempera-
tūros negalima palyginti su etalonu, todėl ter-
mometrais matuojami kiti dydžiai, priklausantys nuo
temperatūros:
slėgis ir pan.
skysčio
ar dujų
tūris,
dujų
Termometro skysčio stulpelio galo pokytis viena šimtąja dalimi atitinka vieną Celsijaus laipsnį
(1*C). Temperatūros matavimas tokiu termometru nėra tikslus, nes susijęs su gyvsidabrio ir alkoholio plėtimosi savybėmis. Kita netikslaus tempe-
skystiniais termometrais, arba Celsijaus! termometrais. Jų skalė sudaroma taip. Iš pradžių ter-
ratūros matavimo priežastis — atskaitos pradžios, t. y. nulinės temperatūros, pasirinkimas. Matuojant temperatūrą pagal Celsijaus skalę, atskaitos
ir kaskart brūkšneliu pažymima jo vamzdelyje
jaus skalėje nustatyta susitarimu. Akivaizdu, kad
Buityje
temperatūra
dažniausiai
matuojama
mometras dedamas į tirpstantį ledą (1.5.5 pav., a), paskui — į verdantį vandenį (1.5.5 pav., b)
esančio skysčio stulpelio tarp
brūkšnelių
galo padėtis. Tarpas
padalijamas
į 100
lygių
dalių.
pradžia pasirenkama ledo tirpimo temperatūra. Vadinasi, temperatūros atskaitos pradžia Celsi-
ji gali būti ir kita, pavyzdžiui, vandens virimo temperatūra.
| + 1.55 pav, a
*Teori
1.5.5 pav,b
is temperatūros apskaičiavimas. Temperatūros formulė
Tiksliai temperatūrą galima apskaičiuoti pagal temperatūros formulę. Ji gauta atliekant bandy-
mus su skirtingų rūšių dujomis: deguonimi, he-
liu ir vandeniliu (1.5.6 pav.). Dujų masė ir indų tūris buvo žinomi, o slėgis matuojamas manometrais. Žinant dujų
masę,
buvo nesunku
"Andersas Celsijus (Anders Celsius, 1701-1744) - švedų astronomas ir fizikas, Upsalos universiteto profesorius.
nu-
21
1 1.5.6 pav.
statyti jų molekulių skaičių N. Iš pradžių indai su dujomis buvo įdėti į tirpstantį ledą (0 9C), vėliau — į verdantį vandenį (100 *C). Bandymai parodė,
kad 0 *C temperatūros
kiekvienų dujų
slėgio ir tūrio sandaugos bei molekulių skaičiaus santykis yra vienodas:
PM NTAPM PM TN,
=0. gi
jamas džauliais. Fizikoje temperatūra reiškiama laipsniais. Dydis 0 laikomas proporcingu temperatūrai 1, matuojamai laipsniais:
0 = KT.
Iš 1.17 ir 1.18 lygybės gaunama temperatūros formulė:
pv.
(1.16)
N
Indus su dujomis panardinus į verdantį vandenį, visų dujų santykis
2V.N
ko vienodas, tačiau
didesnis negu pirmuoju atveju. Vadinasi, kylant temperatūrai, dydis O didėja. Dėl to jį galima laikyti temperatūros
matu.
Atsižvelgę į bandymu
gautą priklausomybę ir pasinaudoję molekulinės kinetinės dujų teorijos pagrindine lygtimi, gau-
name:
pV. = 2
NU3
(1.17)
1 pagrindai
rą, kai žinomas dujų slėgis (p), tūris (V) ir dalelių skaičius (N).
Temperatūros formulėje (1.19) esantis propor-
cingumo koeficientas (k) vadinamas Bėlemano
konstanta. trų
fiziką
mann,
Taip jis pavadintas pagerbiant aus-
Liudvigą
Bolcmaną
(Ludwig
1844-1906).
Bolcmano
konstanta
Boliz-
sieja
da. Dydis 0 lygus dviem trečdaliams molekulių
molekulės judėjimo energija, dujų temperatūrai
tinės energijos. Kaip ir energija, dydis 0 matuo-
(
Ją taikant, galima išmatuoti aplinkos temperatū-
Apibrėžkite šiluminės pusiausvyros būseną. Pateikite tokios būsenos kūnų pavyzdžių.
Kaip būtų galima apskaičiuoti, kiek dujų molekulių yra 1.5.6 paveiksle pavaizduotuose induose?
Kaip apskaičiuojama kūno temperatūra?
tariant, ji rodo, kiek vidutiniškai pakinta vienos
padidėjus vienu laipsniu. Bolcmano konstantos vertė k = 1,38 - 10“? ]/K.
Kokia yra Bolcmano konstantos fizikinė prasmė? Ar galima šią konstantą nustatyti teoriškai, neatliekant bandymų? Pasidomėkite termometrų kūrimo istorija, Anderso Celsijaus kūrybine veikla, šiuo metu naudojamų termometrų įvairove, jų veikimo principais. Parenkite pranešimą šia tema.
—
8 £ “ E £ “ gk i E £ 3= a E] z
(1.19)
Taigi visų šiluminės pusiausvyros būsenos dujų
netvarkingo šiluminio judėjimo vidutinės kine-
2
= KT.
temperatūrą O, išreikštą energijos vienetais (]), su temperatūra T, išreikšta laipsniais (K)?. Kitaip
molekulių vidutinė kinetinė energija yra vieno“
(1.18)
*0 - graikų abėcėlės raidė, tariama „teta“.
"Plačiau apie naują temperatūros matavimo vienetą (K) skaitykite 1.6 temoje „Absoliučioji temperatūra — molekulių
vidutinės kinetinės energijos matas“
1.6. Absoliučioji temperatūra — molekulių vidutinės kinetinės energijos matas Absoliučioji temperatūra. Absoliutusis temperatūros nulis XIX a. viduryje anglų fizikas Viljamas Tomso-
nas (William Thomson, 1824-1907) pagal temperatūros formulę (1.19) pasiūlė naują temperatūros matavimo
skalę, vadinamą
titulą, todėl ši skalė dar vadinama Kelvino
ska-
le. Kelvino skalėje temperatūros nulis nustatytas
ne susitarimu!, o pagal 1.19 temperatūros formulę. Temperatūra, kurioje idealiųjų dujų slėgis
artėja prie nulio, kai tūris pastovus, vadinama absoliučiūoju nuliū. Žinome, kad dujų slėgį smūgiai
į indo
sieneles.
Jei
slėgis išnyksta, vadinasi, molekulės nesusiduria
su indo sienelėmis. Taip gali būti tik tada, kai dujų molekulės nustoja judėti. Taigi, esant absoliučiajam temperatūros nuliui, išnyksta molekulių šiluminis
judėjimas.
Absoliučiėji temperatūra gali būti tiktai teigiama arba lygi nuliui (1.6.1 pav.). Absoliu-
Verdantis vanduo-+ 10044 Žmogaus kūno
temperatūra —+ Tirpstantis ledas—
37 0
Sausasis ledas—+ 75
G 100 — 375 0— 100
K
310 25 195
ss 2 20 —0 10
Absoliutusis nulis-e -273
„Ao—0
12
Jei temperatūra padidėja vienu kelvinu pagal absoliučiąją temperatūros skalę, tai ji padidėja vienu Celsijaus laipsniu ir pagal Celsijaus temperatūros skalę.
Celsijaus ir absoliučiosios skalės ryšys Celsijaus
ir absoliučiosios
skalės
ryšį
galima
nustatyti bandymu. 1.6.2 paveiksle pavaizduotas cilindro formos indas pripildomas dujų. Ant indo sienelės pažymimi pagrindiniai termometro skalės taškai: 0 9C ir 100 9C. Atstumą tarp
0 0 3
80
1K-= 1 €C.
3 200
22288
SkystasisJ oras—-191 IM 5 —
1.6.1 pav.
sijaus skalės laipsnį (1 9C):
absoliučiąja,
arba termodinamine, skalė. Tomsonas už nuopelnus mokslui buvo pelnęs lordo Kelvino
sukelia molekulių
čiosios temperatūros skalės vienetas kelvinas (sutrumpintai žymimas 1 K) atitinka vieną Cel-
10 20 0 00
12
1.6.2 pav.
"Primename, kad Celsijaus skalėje nulis nustatytas susitarimu. Tai ledo tirpimo arba vandens užšalimo temperatūra. 23
būti lygus nuliui!. Iš 1.19 formulės išplaukia, kad ši temperatūra yra absoliutusis nulis pagal Kel-
vino skalę. Vadinasi, 0 *C pagal Celsijaus skalę atitinka apytiksliai 273 K pagal Kelvino skalę.
Kadangi temperatūros vienetas pagal absoliučią-
ją skalę (1 K) prilygintas temperatūros vienetui pagal Celsijaus skalę (1 9C), tai bet kuri absoliu-
-273
1.63 pav. jų padalijus į lygias dalis, gaunama
dujinio ter-
mometro skalė. Dujų tūrio priklausomybė nuo
čiosios temperatūros 1' vertė yra 273 laipsniais didesnė už atitinkamą Celsijaus temperatūros !
vertę:
temperatūros pagal Celsijaus skalę, esant pasto-
viam slėgiui, yra tiesinė (1.6.3 pav). Pratęsę dujų tūrio priklausomybės nuo temperatūros grafiką į neigiamų temperatūrų pusę, pastebime, kad, esant —273 *C
temperatūrai,
dujų
tūris turėtų
T= t + 273.
(1.20)
1.6.1 paveiksle palygintos Celsijaus, Kelvino ir
Farenheito temperatūros skalės.
Absoliučioji temperatūra - molekulių vidutinės kinetinės energijos matas Absoliučioji temperatūra susijusi su moleku-
lių vidutine kinetine energija. Šį teiginį nesu-
dėtinga įrodyti remiantis 1.17 ir 1.19 lygtimis.
Kadangi jų kairiosios pusės lygios, tai turi būti lygios ir dešiniosios pusės:
(1.21) Iš čia matyti, kad netvarkingai judančių mo-
lekulių slenkamojo judėjimo vidutinė kinetinė energija yra tiesiogiai proporcinga
“
2
1.21 formulė yra
1 pagrindai
tarsi tiltas tarp makropasaulio ir mikropasaulio. Kūno temperatūra (1) matuojama makroskopi-
su mikropasauliu. gijai.
Iš 1.21 formulės matyti: kuo aukštesnė temperatūra, tuo greičiau juda molekulės. Taigi temperatūra yra molekulių vidutinės kinetinės energijos matas. Ši priklausomybė būdinga ne tik dujoms, bet ir skysčiams bei kietiesiems kūnams, kurių atomai gali tik svyruoti apie pu-
siausvyros padėtį. Kai absoliučioji temperatūra lygi nuliui, molekulių vidutinė kinetinė energija taip pat turi būti lygi nuliui. Vadinasi, absoliutusis nulis yra temperatūra, kurioje išnyksta molekulių šiluminis judėjimas.
Temperatūra pagal Celsijaus skalę lygi
už Celsijaus?
Kokia temperatūra vadinama absoliučiuoju
nuliu?
Temperatūra yra proporcin-
ga molekulių judėjimo vidutinei kinetinei ener-
Kuo pranašesnė Kelvino temperatūros skalė GO
Tačiau ji susijusi ir
309C. Kam ji bus lygi pagal Kelvino skalę? G)
Kaip susijusi molekulių slenkamojo judėjimo vidutinė kinetinė energija su temperatūra?
—
8 £ “ E g “ £k r E £ 3= a Cl z
absoliučiajai temperatūrai.
niu prietaisu — termometru.
"Brūkšninė grafiko dalis
rodo, kad realiai dujų tūris negali būti lygus nuliui. Žemoje temperatūroje dujos virsta
skysčiu, 0 skysčiai — kietaisiais kūnais.
Iš pradžių inde esančių dujų temperatūra klausomybę nuo temperatūros pagal Kelvino buvo lygi 10 €C. Dujas pakaitinus, ji pakilo skalę. iki 40 €C. Kiek padidėjo dujų molekulių vidu- (CB) Pagrindinė materijos savybė yra judėjimas. tinė kinetinė energija? (62-10 )) Pasiekus absoliutųjį nulį, medžiagą sudaranRemdamiesi 1.6.3 paveiksle pateikta dujų čios molekulės ir atomai nustoja judėti. Ar tai tūrio priklausomybe nuo temperatūros pagal neprieštarauja pagrindinei materijos savybei? Celsijaus skalę, pavaizduokite dujų tūrio priAtsakymą pagrįskite.
Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Apskaičiuokime idealiųjų dujų temperatūrą, kai jų vidutinė kinetinė energija lygi 7,87 x
0-7?
1 = 273
K
M = 0,028 kg/mol
x 107! J.
k =
138
105
J/K
Sprendimas Pagal
Sprendimas
Pasinaudojame lygtimi T, = ŽkT, kuri sieja
molekulių judėjimo vidutinę kinėtinę energiją ir temperatūrą. Iš jos išreiškiame temperatūrą:
o
2H E
2-7,87-107] 3-138-105J/K
—
380
K.
Atsakymas. 380 K.
Nagrinėdami Šterno bandymą (žr. 1.3 temą),
lių šiluminio judėjimo greičio kvadrato vidurkį, tereikia įrašyti į ją vienos
molekulės
kinetinės energijos išraišką E. = " mo?
durkį: 0
vidutinės
17 ŽK,
— 3kT „ Tada vidutinis kvadratinis greiTi
tis bus lygus
Kadangi m, = M N,
Remdamiesi
šioje temoje iš-
dėstyta medžiaga, molekulių greičius galime ap-
šių dujų molekulių vidutinį kvadratinį greitį.
tai
3KN,TA M 28 kg7mol
davinio pavyzdžiu.
rių molio masė 0,028 kg/mol. Apskaičiuokime
BkT žm
Įrašę dydžių vertes, apskaičiuojame:
skaičiuoti algebriniu būdu. Iliustruosime tai už2. Inde yra 0 *C temperatūros azoto dujų, ku-
= =
= Us
sužinojote, kad molekulių greičius galima nustatyti bandymais.
moleku-
Iš čia išreiškiame molekulių greičio kvadrato vi-
Įrašę dydžių vertes, gauname: T=
1.21 lygtį galima apskaičiuoti
Atsakymas. 493 m/s; algebriniu ir eksperimentiniu būdu apskaičiuotos dujų molekulių greičio
vertės sutampa.
Pasitikrinkite pažangą
1.
Apskaičiuokite argono molekulių vidutinį kvadratinį greitį. Argono molio masė 0,04 kg/mol, temperatūra 09C.
(412,5 m/s)
2.
Apskaičiuokite idealiųjų dujų molekulių slenkamojo judėjimo vidutinę kinetinę energiją,
esant 20 9C temperatūrai.
(6,06
10! Į) 25
G)
Deguonies molekulių vidutinis kvadratinis
d) Apskaičiuokite vienos deguonies molekulės masę. (53-10 kg)
greitis, esant 320 K temperatūrai, lygus
500 m/s. a) Įvertinkite deguonies molekulių greičio kokybinius pokyčius kintant temperatūrai. b) Nurodytą temperatūrą išreikškite Celsijaus laipsniais. 907
Kapiliariniai reiškiniai
Kapiliariniai reiškiniai - tai skysčio pakilimas arba nuslūgi-
Skysčio pakilimo aukštis
Skysčio pakilimo aukštis (h) kapiliare yra tiesiogiai proporcingas skysčio paviršiaus įtempties koeficientui (0) ir
mas kapiliaruose (mažo vidinio skersmens vamzdeliuose).
atvirkščiai proporcingas skysčio tankiui (p) bei kapiliaro spinduliui (r): h= —-20 žar:
65
ŠILUMINIAI REIŠKININIAI NSVAAViaI ĖS Ino 1
Kristaliniai ir amorfiniai kūnai Šiame skyriuje detaliau gvildensite kietųjų kūnų Ego [e aaa AI TESA=TniTe T aa S kūnais, sužinosite, kas yra anizotropija ir izotropija,
aptarsite kietųjų kūnų deformacijų rūšis:
tampriąsias ir plastinės, taip pat tempimo, šlijimo, sąsūkos ir lenkimo. Nagrinėdami kietųjų kūnų aaa EEA VES fizikiniais dydžiais: mechaniniu įtempiu, tampros moduliu, proporcingumo, tamprumo ir stiprumo
ribomis.
3.1. Kristaliniai ir amorfiniai kūnai Kristaliniai kūnai Kietojo kūno
tyrimai yra svarbi fizikos sritis.
praktinėje veikloje. Pavyzdžiui, deimantas - tvirčiausia medžiaga gamtoje. Kvarcas ir germanis, pasižymintys elektrinėmis savybėmis, naudojami elektrotechnikoje ir elektronikoje. Iš kristalų
Daugelis fizikų tiek pasaulyje, tiek Lietuvojė ti-
ria kietųjų medžiagų sandarą. Juos domina me-
chaninės, elektrinės, magnetinės ir optinės kie-
gaminamos mikroschemos, atminties elementai,
tųjų kūnų savybės. Kietieji kūnai gali būti kristaliniai arba amorfiniai (3.1.1 pav.). Kristaliniais kūnais,
tranzistoriai. Kristalai naudojami grąžtų, termo-
metrų,
arba kristalais (gr. krystallos - ledas,
krištolas), vadinami
kietieji kūnai, kurių
laikrodžių,
lazerių!
gamyboje.
Safyras,
rubinas, ametistas ir kiti kristalai puošia daugelį
molekulės (atomai arba jonai) erdvėje iš-
juvelyrinių dirbinių. Sukurtos atskirų kristalų
sidėstę tvarkingai. Kristalinių kūnų gamtoje yra daug: valgomoji
masyvų
(grafėno)
gamybos
technologijos.
pakeičia silicį didelės galios kompiuteriuose
Jie
ir
elektronikoje, nes yra kompaktiškesni ir naudoja
druska, vario sulfatas, alūnas, kvarcas, deimantas
ir pan. Kristalų fizinės savybės svarbios žmogaus
mažiau energijos. KIETIEJI KŪNAI
„AMORFINIAI KŪNAI! (Būdinga izotropija)
KRISTALINIAI KŪNAI
POLIKRISTALAI
(Būdinga izotropija)
Kristalų sandara. Kristalinė gardelė Taisyklingą
geometrinę
kristalų formą
lemia
tvarkingas dalelių (atomų, molekulių, jonų) išsidėstymas. Dalelės išsidėsto lygiais tarpais, tam tikromis
eilėmis, sudarydamos
Sakoma,
kad kristaliniams kūnams
gūras erdvėje ar plokštumose
geometrinės
fi-
(žr. 2.1.1 pav.).
būdinga to-
limėji tvarka. Kristalus sudarančios dalelės negali laisvai judėti. Jos tik svyruoja apie pusiausvyros padėtį.
Kodėl dalelės kristaluose išsidėsto tvarkingai? Atsakyti į šį klausimą padeda nesudėtingo
bandymo rezultatai. Ant šiek tiek įgaubto stiklo (pavyzdžiui, seno žadintuvo) paberiama smul-
kių metalinių rutuliukų. Stiklą lengvai sukrėtus, rutuliukai tvarkingai išsidėsto žemiausioje galimoje padėtyje (3.1.2 pav.), t. y. taip, kad jų potencinė
energija
būtų
mažiausia.
Tuo
pačiu
principu išsidėsto ir dalelės kristale. Jos užima padėtį, atitinkančią žemiausią dalelių potencinės (sąveikos) energijos lygmenį.
Sujungus kietojo kūno molekulių (atomų arba
jonų)
pusiausvyros
centrus,
gaunama
taisyk-
"1960 m. JAV fizikas Teodoras Meimanas (Theodore Maiman) sukonstravo pirmąjį pasaulyje lazerį, kuriam panaudojo dirbtinai
išaugintą rubino kristalą.
67
formų.
Kubinę
natris,
chromas,
heksagoninę formos)
gardelę
rombinę
—
(šešiakampės
— cinkas,
Mokslininkai
turi valgomoji
magnis
nustatė,
kad
druska,
kvarcas,
topazas,
stačiosios
prizmės
ir daugelis
lydinių.
gali būti net 230
įvairių kristalo erdvinės gardelės formų. Joninės erdvinės gardelės mazguose dažnai būna teigiamieji arba neigiamieji jonai, kitais atvejais — atomai. 3.1.2 pav.
linga erdvinė gardelė. Ji vadinama kristalinė
gardelė (2.1.1 pav.). Gardelė gali būti įvairių
Kristalo
savybes
lemia ne tik dalelių,
esančių kristalinės gardelės mazguose, rūšis, bet ir gardelės forma. Grafitas ir deimantas sudaryti iš tų pačių anglies atomų, tačiau skirtinga gardelės forma (žr. 2.1.1 pav.) lemia skirtingas šių medžiagų savybes.
Monokristalai ir polikristalai Kietasis kūnas, sudarytas iš vieno kristalo, va-
dinamas
monokristalū
(gr. monos — vienas,
vienintelis, vientisas). Monokristalų fizinės sa-
vybės priklauso nuo pasirinktos krypties kris-
3.14 pav, a
tale. Daugelis kristalų šviesą, šilumą ir elektros srovę įvairiomis kryptimis praleidžia skirtingai (3.1.3 pav., a, b). Nuo krypties priklauso ir šiluminis monokristalų plėtimasis. Iš monokristalo pagamintas rutuliukas šildomas labiau plečiasi horizontalia kryptimi negu vertikalia (3.1.4 pav., a, b). Kristalų fizinių savybių priklausomy-
bė nuo krypties kristalo viduje vadinama
anizotrėpija (gr. anisos — nelygus, Iropos —
£I]
iir amorfiniai kūnai
kryptis, savybė). Monokristalams ji būdinga dėl to, kad tvarkingai išsidėsčiusių atomų, moleku-
5 Ž =5 zi Eš 1 i =
-————
3.14 pav,b
lių arba jonų sąveikos jėgos ir atstumai tarp ato-
mų skirtingomis kryptimis yra nevienodi. Kietasis
3.13 pav, a
5
ESI
sudarytas
iš daugybės
suau-
gusių vienas su kitu kristalėlių, vadinamas polikristalū (gr. polys — didelis, gausus). Pavyzdžiui, grūdinto plieno ar ketaus lūžio vietoje net plika akimi
£ “2
kūnas,
galima įžiūrėti smulkių
kristalėlių.
(O
Smūgiuojamas valgomosios druskos gabalas subyra į taisyklingos formos kristalėlius, kurių paviršių riboja statmenos plokštumos. Iš polikrista-
313 pav, b
lų pagamintų daiktų nesunku rasti artimiausioje
mūsų aplinkoje. Tai —- metaliniai šaukštai, šaku-
tės, peiliai ir kt. Rafinuotas cukrus taip pat yra polikristalas. poli-
kryptimis yra vienodos. Kietojo kūno fizinių savybių nepriklausymas nuo pasirinktos krypties jo viduje vadinamas izotropija. Taigi polikris-
Kietieji kūnai, neturintys kristalinės sandaros,
ruoja apie pusiausvyros padėtį, paskui peršoka į
Dėl
netvarkingo
kristalėlių išsidėstymo
kristalų, taigi ir metalų, fizinės savybės visomis
talinės medžiagos yra izotropiškos.
Amorfiniai kūnai vadinami amėrfiniais kūnais (gr. amorphos— beformis).
Tai — gintaro,
stiklo, vaško gaminiai
ir kt. Tam
tikromis sąlygomis amorfiniai kūnai
būna tamprūs kaip kristalai. Pavyzdžiui, esant
Žemai temperatūrai, dervos gabalas yra kietas ir,
stipriai smogtas plaktuku, subyra. Temperatūrai kylant, amorfiniai kūnai pamažu minkštėja. Konkrečios lydymosi temperatūros jie neturi. Lengvai
suminkštėja vaškas, derva.
Iš įkaitinto
stiklo galima formuoti įvairios formos gaminius (3.1.5 pav., a). Dėl to jis naudojamas indų, švies-
tuvų, meno dirbinių gamybai (3.1.5 pav., 6).
Amorfinių kūnų atomai arba molekulės, pana-
šiai kaip skysčio molekulės, tam tikrą laiką svy-
naują. Tačiau tokie jų šuoliai yra gerokai retesni negu skysčių molekulių. Todėl žemoje temperatūroje amorfiniai kūnai yra artimesni kristalams.
Temperatūrai kylant, molekulių šuoliai iš vienos
sėslios padėties į kitą dažnėja - amorfiniai kūnai minkštėja, pasidaro takūs, taigi ir artimesni skysčiams. Pavyzdžiui, stiklas yra takus net kambario temperatūroje. Todėl senų pastatų langų stiklai apačioje būna storesni. Amorfinių
kūnų
tik artimiausios
dalelės (ato-
mai, molekulės) išsidėsto tvarkingai, todėl sako-
ma, kad amorfiniams kūnams būdinga artimėji tvarka. Šie kūnai yra izotropiški
- fizinės savybės
nokristalą,
oksido
nepriklauso nuo pasirinktos krypties jų viduje.
Kristalų auginimas Didelė kristalų paklausa privertė ieškoti alternatyvių jų šaltinių. Sukurtos modernios kristalų
auginimo technologijos. Kristalai auginami
specialiuose automatizuo-
tuose termostatuose. Pagrindinė problema, kuri kyla auginant kristalus, - aukšta žaliavos temperatūra. Pavyzdžiui, norint išauginti rubino mo-
reikia
aliuminio
miltelius
įkaitinti iki 2030 *C. Rubino auginimo įrengi-
nyje kaitinami aliuminio oksido milteliai byra
plona srovele (3.1.6 pav.). Išsilydę jie mažais lašeliais krinta ant strypo, kurio paviršiuje formuojasi rubino kristalas. Taip pavyksta išauginti iki 500 mm ilgio monokristalinius strypelius.
69
Aliuminio milteliai (Al;05)
Rubino kristalas
3.1.6 pav.
Kristalus galima auginti
3.1.7 pav.
lėtai garinant
skystį | Susidaro
iš sočiojo tirpalo arba lėtai mažinant tirpiklio temperatūrą. Iš tirpalo gaunamo kristalo forma priklauso nuo skysčio priemaišų, skysčio srovių. Tirpalo šaldymas labai pakeičia kristalų formą.
| | | |
ilgų, adatos
pavidalo
keistai
susijun-
gusių kristalų. Pavyzdys — ledo ornamentai ant lango (3.1.7 pav.). Dideli, be priemaišų kristalai išauginami kosmose, nesvarumo ir didelio vakuumo sąlygomis.
Apibūdinkite molekulių sąveikos jėgas ir
Pasirenkite diskusijai apie stiklapūtystę (is-
Čiuose ir dujose. Kuo panaši ir kuo skiriasi kristalinių ir amorfinių kūnų sandara?
praktiniai taikymo aspektai). Prisiminkite per chemijos pamokas nagrinėtus kristalų auginimo būdus. Internete paieškokite
judėjimo pobūdį kietuosiuose kūnuose, skys-
Paaiškinkite izotropijos reiškinį. Kam jis būdingas?
Ar visi kristaliniai kūnai yra anizotropiniai? Atsakymą pagrįskite.
„Mediena yra anizotropinė. Ar ją galima lai-
kyti kristaline medžiaga?
torija, dabartinės technologijos, meniniai ir
informacijos apie naujausias kristalų auginimo namų sąlygomis technologijas. Klasėje padiskutuokite apie fizikinius ir cheminius jų aspektus. Pabandykite patys išauginti kristalų. Paieškokite internete informacijos apie anizotropiją gyvojoje gamtoje.
Skystųjų kristalų sandara Dabar jau nieko nestebina televizoriaus, kom-
piuterio monitoriaus (3.2.1 pav.) ar mobiliojo
lų. Šios medžiagos taip pat naudojamos laikrodžiuose, švieslentėse, termometruose,
skaičiuo-
telefono ekranas, pagamintas iš skystųjų krista- | tuvuose ir kituose elektronikos prietaisuose.
Sandaros požiūriu skystieji kristalai yra panašūs tiek į skysčius, tiek į kietuosius kūnus.
Skystieji kristalai — tai medžiagos, sudarytos
me jų — vis kitaip (3.2.2 pav.): viena kryptimi — tvarkingai (tolimoji tvarka), o kitomis kryptimis — ne (artimoji tvarka). Jų masių centrai juda
krame temperatūros intervale būdingas takumas
čios su savimi ir su kitų molekulių ašimis.
iš pailgų, nelanksčių molekulių, kurioms tam ti(kaip skysčiams) ir tvarkingas išsidėstymas (kaip kristalams). Skystųjų kristalų molekulės išsidėsto
lygiagrečiais
sluoksniais,
tačiau
kiekviena-
netvarkingai, tačiau ašys išlieka lygiagrečios pa-
Žinome, kad kiekviena medžiaga gali būti kietos, skystos arba dujinės būsenos. Skystieji kristalai — savita organinės medžiagos būsena, pri-
klausanti nuo aplinkos temperatūros. Tačiau ne kiekviena organinė medžiaga gali būti šios būsenos. Nustatyta, kad tik viena iš 200 organinių medžiagų gali būti skystasis kristalas.
Skystųjų kristalų atradimo istorija Skystųjų kristalų atradimo istorija patvirtina, kad gamtos mokslai (fizika ir biologija) susiję
tarpusavyje. Botaniko Roberto Brauno darbų reikšmę molekulinės kinetinės dujų teorijos raidai jau minėjome. Skystuosius kristalus 1888 m.
nėje, 1963 m. pastebėjo, kad, paveikus skystąjį
kristalą elektriniu lauku, šviesos sklidimas per
atrado taip pat botanikas. Tai buvo mokslinin-
jį pakinta. Taigi elektriniu lauku galima keisti ir valdyti molekulių išsidėstymą kristale. Po penkerių metų kitas RCA tyrinėtojas Georgas Hylmejeris (Georg Heilmeyer) su savo kolegomis
Skystieji kristalai ilgai nebuvo tyrinėjami. Jais
totipą. Skystųjų kristalų molekulės reaguoja ne
kas Frydrichas Rainiceris (Friedrich Rheinitzer).
susidomėta tik 1960 m. Amerikiečių mokslinin-
kas Richardas Viljamsas (Richard Williams), dirbantis RCA (Radio Corporation of America) įmo-
pagamino pirmąjį skystųjų kristalų ekrano pro-
tik į elektrinio lauko poveikį, bet ir į nedidelius
slėgio bei temperatūros pokyčius. Dėl to keičiasi šių kristalų skaidrumas ir spalva.
Skystųjų kristalų ekranai Skystųjų kristalų ekranai turi privalumų ir trūkumų. Svarbiausias jų privalumas, palyginti su standartiniais ekranais, yra maži matmenys. Dėl to šie ekranai įrengiami
kompiuteriniuose
gro-
tuvuose (3.2.3 pav.), skaitmeniniuose fotoapara-
tuose (3.2.4 pav.) ir kituose prietaisuose. Skystųjų kristalų ekranai yra vos kelių centimetrų storio ir dėl to lengvi. Jie vartoja gerokai mažiau energijos nei monitoriai su katodinių spindulių kineskopu.
71
3.23 pav. Tačiau skystųjų kristalų ekranai turi ir trūkumų. Pirma, jie yra brangesni, antra, vaizdo koky-
bė skystųjų kristalų ekrane priklauso nuo regė-
jimo kampo. Optimalus regėjimo kampas šiuose
ekranuose yra status (vartotojas sėdi tiesiai prieš ekraną). Pasukus ekraną, vaizdas jame įžiūrimas sunkiau.
Vaizdo kokybė skystųjų kristalų ekrane labiau-
siai priklauso nuo ekrano tipo ir dydžio. Skystųjų kristalų ekranai, kitaip nei standartiniai, patys šviesos neskleidžia. Jie tik atspindi saulės ar kambario šviesą. Vis dėlto paviršiaus apšvieta ne visada yra pakankama, todėl šiuo metu kuria-
3.24 pav.
priklausantį nuo ląstelės elektrodams įtampos.
Spalvotiems vaizdams kurti atskirose skystųjų kristalų ekranų ląstelėse naudojami spalvų filtrai.
Jie dažniausiai daromi vertikalių raudonų, žalių
ir mėlynų juostelių pavidalo, tačiau gali būti ir kitokie. Kad ekrane susidarytų baltas taškas, trys gretimos skystųjų kristalų ekranų ląstelės turi
praleisti šviesą. Spalvų pustoniai kuriami įvairiais būdais: silpninant ląstelei tiekiamą srovę ir taip mažinant praleidžiamos šviesos kiekį; trumpam įjungiant ir išjungiant ląstelę ir kt.
Įtampos nėra
iš šonų (šviesos šaltiniai tvirtinami prie ekrano
kraštų) arba iš apačios, po ekranu įtaisytu šviesos
ai]
ir kristalo savybių. Priešingose ląstelės pusėse išdėstyti skaidrūs elektrodai, prie kurių jungiamas
3.2.5 pav.
molekulės
ii I
"/
Skaidrūs elektrodai Stiklas Poliarizatorius
Au
5 = =5 zu E: 1 ž =
Skystųjų
kristalų
—
darinys, pripildytas medžiagos, turinčios skysčio
liuojamas keičiant molekulių orientacijos kampą,
(tamsu)
—
šaltiniu. Ekranai gali būti įvairių tipų ir formų. Skystųjų kristalų ekrano ląstelė (3.2.5 pav.) yra
£I]
Įtampa yra
(šviesu)
mi skystųjų kristalų ekranai, kurie apšviečiami
įtampos šaltinis. Ekrano ląstelės skaidrumas regu-
tiekiamos
ESI
5 £
(O
“2
Kuo skystieji kristalai panašūs į skysčius,
Kokia yra skystųjų kristalų ekrano sandara?
kuo- į kietuosius kūnus?
Kokios vidinės sandaros medžiagos gali būti skystieji kristalai?
Kaip jis veikia? G)
Padiskutuokite apie skystųjų kristalų ekranų
privalumus, trūkumus, jų kūrimo technolo-
gijas.
3.3*. Cheminiai ryšiai kristaluose. Kristalų defektai Cheminiai ryšiai kristaluose Per
chemijos
pamokas
nagrinėjote
Laisvųjų elektronų „jūra“
įvairius
cheminius ryšius: joninį, kovalentinį, metališkąjį ir molekulinį. Visų jų pagrindas — elektrinė
medžiagos dalelių sąveika. Šie ryšiai būdingi ir kristalų dalelėms (jonams, molekulėms). Valgomoji druska (Na'Cl-) yra kristalinė medžiaga, kurios jonai tarpusavyje susiję joniniu
333333
ryšiū. Kiekvienas neigiamasis chloro jonas traukia šešis teigiamuosius natrio jonus, kiekvienas teigiamasis natrio jonas — šešis neigiamuosius
chloro jonus (3.3.1 pav.).
„Metalo jonai
3.3.3 pav.
a-c
elektroninio
apvalkalo
gali
dviejų atomų (3.3.2 pav.).
laisvai
judėti
tarp
Kristalų atomai gali būti susiję metališkuoju ryšiū. Pavyzdžiui, geležies, vario ir kitų metalų jonus sieja laisvieji elektronai. Tai dalis metalų
atomų valentinių elektronų, kurie yra bendri visam kristalui. Laisvieji elektronai sudaro ta-
rytum neigiamo krūvio „jūrą“ (3.3.3 pav.), kuri juda tarp tvarkingai išsidėsčiusių teigiamųjų metalo jonų. Laisvųjų elektronų ir jonų tarpusavio traukos jėga sudaro metališkąjį ryšį.
Kai kurių kristalų (pavyzdžiui, cukraus, parafi-
no) gardelės mazguose yra neutralios molekulės, turinčios teigiamojo ir neigiamojo krūvio cen-
trus. Ryšys tarp kristalinės gardelės mazguose
esančių molekulių, t. y. molekulinis ryšys, at-
siranda dėl įvairiaženklio krūvio centrų sąveikos. 3.3.2 pav.
Kristalų defektai
Neutralius kristalo atomus sieja kovaleūtinis
Išauginti kristalą, turintį taisyklingą gardelę, sunku. Kristalinės gardelės pakitimus vadiname
ryšys. Jis atsiranda susidarant bendroms
abiejų
atomų elektronų poroms. Pavyzdžiui, kiekvienas deimanto
atomas
susijęs su keturiais
artimiau-
siais atomais kovalentiniu ryšiu. Jo esmė — po vieną elektroną iš kiekvieno deimanto atomo
defektais.
Mikroskopiniai
taškiniai kristalinės
gardelės defektai būna trijų rūšių: * kristalinės gardelės mazge yra kitos rūšies ato-
mas (3.3.4 pav., a);
73
r
ru
lo R
m
R
ma
HR
12)
ET na
3.34 pav, a
334 pav,b
TTH R a 225 pav.
—Ė
—Ė
3.34 pav,
MN Wi „NM
—Ė
HH T
TE EOT Praslydimas
+ atomas yra tarp kristalinės gardelės mazgų ten, kur jo neturėtų būti (3.3.4 pav., b); + gardelės mazge nėra atomo (3.3.4 pav., c).
Taškiniai defektai pažeidžia tik artimąją kristalo tvarką. Tolimąją tvarką suardantis defektas vadinamas dislokacija. Tai kristalinės gardelės vieta, kurioje nutrūksta viena atomų
(ar jonų) plokštuma. Dislokacijos vietoje ryšiai yra silpnesni. Kristalus, turinčius dislokacijų, lengviau deformuoti. Jei dislokacijos nebūtų, tektų vienu metu nutraukti ryšius tarp visų kristalo atomų dviejose gretimose plokštumose. Esant dislokacijai, veikianti jėga pastumia vieną atomų
plokštumą per vieną gardelės tarpsnį
3.36 pav.
(3.3.5 pav.). Šis procesas panašus į kilimo klostės pastūmimą: klostę pastumti lengviau nei visą ki- | nimas — legirūvimas (vok. legieren < lot. ligare — limą. Tačiau, patraukiant klostę, pastumiamas ir | rišti, jungti). Pavyzdžiui, į plieno lydinį įterpia-
E
visas kilimas (3.3.6 pav.). ma chromo, volframo. Įterpiamas elementas arba Į dislokacijos vietą įterpus kitų elementų ato- | elementų kompleksas pasirenkamas atsižvelgiant
E =
kartu padidinti kristalinės medžiagos atsparumą. | rumas aukštai temperatūrai, susidėvėjimui, koŠiuo principu pagrįstas metalų lydinių praturti- | rozijai.
kūnų sandara.
zZ
mų,
galima
pristabdyti
dislokacijos
plitimą
ir | į tai, kokios gaminio savybės yra svarbios: atspa-
E
s
Apibūdinkite joninį, kovalentinį, metališkąjį
Prisiminkite, ką per chemijos pamokas mo-
Padiskutuokite apie kristalų defektus, jų taikymą praktikoje.
"Žr. interneto puslapį
ir molekulinį kristalo dalelių ryšį. Sumodeliuokite šiuos ryšius, naudodamiesi interaktyviais chemijos mokymosi objektais!.
k)
kėtės apie metalų apsaugos nuo korozijos būdus: legiravimą, korozinės aplinkos aktyvumo mažinimą. Padiskutuokite apie tai.
http://mkp.emokykla.lt/imo/lt/mo/312/
3.4. Kietųjų kūnų deformacijos rūšys Tamprioji Mūsų
ir plastinė deformacija
aplinkoje
esančius
kietuosius
kūnus
išnyksta nustojus veikti išorinėms jėgoms, vadi-
pamatus — sienų svoris, tiltą — juo važiuojančių automobilių svoris, obels šakelę — obuolio svoris, jūros tilto turėklus — vėjo jėga. Kai išori-
trintukas, kai jį atleidžiame, grįžta į pradinę padėtį. Tampriąją deformaciją patiria susiduriantys
veikia įvairios išorinės jėgos, pavyzdžiui, namo
nių jėgų poveikis nedidelis, kietieji kūnai išlaiko formą. Tačiau, veikiant stipresnėms jėgoms,
nama tampri4ja. Pavyzdžiui, suspaustas pirštais
biliardo rutuliai, negūsingame vėjyje siūbuojan=
kūnų forma pasikeičia, t. y. kūnai deformuojasi. Kūno formos arba tūrio pasikeitimą vadiname
tys javai bei Nustojus jami kūnai pavyzdžiui,
grįžta į pradinę būseną, deformacija skirstoma į
išorinėms jėgoms, vadinama plastine. Ją patiria
deformacija!. Pagal tai, ar deformuojami kūnai
tampriąją ir plastinę. Deformacija, kuri visiškai
medžiai ir t. t. veikti išorinėms jėgoms, deformuokartais neatgauna pradinės formos, pirštais suspaustas plastilino gabalė-
lis. Deformacija, kuri neišnyksta nustojus veikti sviestas, vaškas, kramtomoji guma ir kt.
Tempimo ir gniuždymo deformacija
Pagal jėgos veikimo pobūdį deformacija skirs-
toma į tempimo (gniuždymo), mo, lenkimo ir sąsūkos. Tempimo deformacija atsiranda
tada, kai jėgos veikia kūną viena tiese priešingomis kryptimis į išorę (3.4.1 pav., a). Aptardami tempimo deformaciją, remsimės pavyzdžiu. Sa-
kykime, vienas strypo galas yra įtvirtintas, o kitas
tempiamas jėga I“, nukreipta nuo strypo išilgai jo ašies (3.4.1 pav., b). Tempimo deformaciją api-
būdina fizikinis dydis, vadinamas absoliučiūoju
pailgėjimu:. Jis lygus deformuojamo strypo galinio ilgio I ir pradinio ilgio I, skirtumui:
Al = I- I,
Kadangi kūno santykinis pailgėjimas išreiškiamas dviejų ilgių santykiu, jis matavimo vieneto neturi.
Tempimo deformaciją patiria liftų lynai, keliamųjų įrenginių grandinės, sąvarža tarp krovini-
nio automobilių kėbulo ir priekabos, sausgyslės, raumenys ir t. t.
dED
6.1) 0
mas metrais. Šią deformaciją galima apibūdinti ir kitu fizi-
kiniu dydžiu - santykiniū pailgėjimu. Jis lygus kūno absoliučiojo pailgėjimo Al ir pradinio
ilgio I, santykiui:
0
-
3.4.1 pav,a
Absoliutusis pailgėjimas SI sistemoje matuoja-
+ - Al
žmogaus
(3.2)
AI
1
į
3.41 pav,b
"Deformacijos sąvoka jums nėra nauja. Ji jau buvo minėta nagrinėjant tamprumo jėgą. "Nagrinėdami tamprumo jėgą, absoliutųjį pailgėjimą žymėjome Ax (I — —kAx). 75
Gniūždymo deformacija pasireiškia tada, kai jėgos veikia kūną viena tiese priešpriešiais į vidų (3.4.2 pav.). Tokio kūno santykinis pailgė-
jimas yra neigiamas: e < 0. Gniuždymo
defor-
maciją patiria pastatų pamatai, sienos, stulpai, medžių kamienai, kaulai ir t. t.
Tempiamo arba gniuždomo kūno kinta ne tik
ilgis, bet ir skerspjūvio plotas: tempiamo— mažėja, gniuždomo — didėja. Tuo galite įsitikin-
ti patys. Iš pradžių spauskite, tada tempkite iš minkštos, akytos medžiagos pagamintą kempinę. Stebėkite, kaip kinta jos skersmuo.
Šlijimo deformacija Deformacija, kurios metu kūno sluoksniai pasislenka lygiagrečiai vieni kitų atžvilgiu, vadina-
ma šlijimo deformacija. Ją kūnai patiria tada, kai išorinės jėgos juos veikia išilgai lygiagrečių plokštumų priešingomis kryptimis (3.4.3 pav.). E
kalios sienos pakrypsta kampu y, kuris vadinamas šlytiės kampū. Būtent šis kampas apibūdina šlijimo deformaciją. Jėgai FF padidėjus, padidėja ir šlyties kampas y. Bandymai
rodo,
Deformuojamo kūno lygiagrečios dalys slysta viena kitos atžvilgiu. Tuo nesunku įsitikinti atliekant nesudėtingą bandymą (3.4.4 pav.). Ant guminio tašelio nubraižomos vertikalios ir hori-
tampriai
deformuojamo
kūno šlyties kampas y yra tiesiogiai proporcingas
veikiančios jėgos IV moduliui. Fizikos kabinet
3.4.3 pav.
kad
imo deformaciją galima pa-
demonstruoti kietojo kūno modeliu (3.4.5 pav.). Ji sudaro daugybė lygiagrečiai viena su kita spyruoklėmis sujungtų plokštelių. Kūno briaunas veikiant horizontalia jėga, plokštelės pasislenka
viena kitos atžvilgiu. Šis bandymas atskleidžia dar vieną šlijimo deformacijos ypatybę — deformuojamo kūno tūris nepakinta.
zontalios tiesės ir viena tašelio siena pritvirtina-
Šlijimo deformaciją patiria uolienos, ledynai kalnų šlaituose, detales jungiantys varžtai, knie-
soma medinė
dės, judantys kūnai, kuriuos veikia didelė trintis. Kai šlyties kampas labai padidėja, deformuoja-
ma prie stalo (3.4.4 pav., a). Tašelio viršuje pritaijuostelė. Tempiant ją horizontalia
jėga FF, tašelio 1, 2, 3ir t. t. sluoksniai pasislenka
vieni kitų atžvilgiu, likdami lygiagretūs, o verti-
mas kūnas gali suirti — lūžti. Šis reiškinys stebimas dirbant žirklėmis, kaltu, kirstuku, pjūklu.
34,5 pav.
Lenkimas ir sąsūka Sudėtingesnės yra lenkimo ir sįsūkos macijos. Lenkimo deformaciją patiria dieną medžiai, stulpai, žmonės. Ji veikia konstrukcijas: perdangas, storu sniego niu apklotus pastatų stogus (3.4.6 pav.,
deforvėjuotą statinių sluoksa), til-
tus (3.4.6 pav., b). Lenkimo deformaciją sudaro vienų kūno dalių tempimas, o kitų gniuždymas. Antai 3.4.6 paveiksle, b, pavaizduotos lentos vir-
šutinė dalis yra gniuždoma, apatinė - tempiama. Sąsūkos deformacija atsiranda įsukant varžtus, sukant mašinų velenus, grąžtus ir t. t. Ji reiškiasi
kaip nevienalytis tempimas arba gniuždymas ir nevienalytė šlytis. Sukamo
kūno atskiri sluoks-
niai lieka lygiagretūs, tačiau pasisuka vienas kito atžvilgiu tam tikru kampu y (3.4.7 pav.).
3.46 pav,b
J
Kietųjų kūnų deformacijos matuojamos prietaisais, kurie vadinami tenzomėtrais.
3.47 pav.
Pateikite tampriosios ir plastinės deformaci-
vių santykinį pailgėjimą. Padiskutuokite apie
Kokie fizikiniai dydžiai apibūdina šias kūnų deformacijas:
(0,01) įvairių kūnų de-
jos pavyzdžių, nepaminėtų tekste.
saugų supimąsi vaikiškomis sūpuoklėmis. Buityje galima pastebėti
a) tempimo; | b) gniuždymo; | c) šlijimo;
formacijų. Panagrinėkite tas, kurias stebite
virvių ilgis 3 m. Atsisėdus ant jų Onutei, vir-
mo, gniuždymo, lenkimo, sąsūkos, šlijimo).
d) lenkimo; e) sąsūkos? Onutės kieme esančių vaikiškų sūpuoklių
vės pailgėja 30 mm. Kokio dydžio yra virvių absoliutusis pailgėjimas? Apskaičiuokite vir-
pusryčiaudami. Nurodykite deformacijų, kurias sukeliate pusryčiaudami, rūšį (tempiKurios iš jų yra plastinės, o kurios — tampriosios?
77
3.4.8 paveiksle pavaizduotas verpimas se-
noviniu rateliu (a) ir šiuolaikinės verpimo staklės (b). Nurodykite, kokias deformacijas
patiria pavaizduoti kūnai. Paieškokite informacijos apie kristalų naudojimą šiuolaikinių verpimo staklių gamyboje.
Mechaninis įtempis Statant tiltus, namus
žinoti pagrindinių statybinių medžiagų (betono, plytų, blokelių) savybes, jų atsparumą mechani-
nėms
deformacijoms.
sutrūkinėti į atskiras dalis. Tokią deformuojamo
ir kitus statinius, svarbu
Šiuo požiūriu medžiagų
savybės rūpi ne tik statybos inžinieriams, bet ir
įvairių įrenginių bei prietaisų konstruktoriams.
kūno būseną apibūdina mechaninis įtempis— fizikinis dydis, lygus tamprumo jėgos mo-
dulio F. ir kūno tykiui:
skerspjūvio ploto S san-
(3.3)
Kas vyksta kūną deformuojant? Mechaniškai
veikiamo kūno atomai pasislenka iš pusiausvy-
ros padėčių. Dėl to pakinta kūno forma ir tūris. Kiekviename deformuojamo
siranda tamprumo
kūno pjūvyje at-
jėgos, neleidžiančios kūnui
Duomenys apie įvairių medžiagų mechanines
savybes gaunami bandymais. Pavyzdžiui, tiriant tempimo deformaciją, viela tempiama speciajos pailgėjimas
sistemoje
mechaninio
įtempio
matavimo
vienetas yra paskalis!: [6] = 1 Pa = 1 N/m?.
Huko dėsnis
liais įtaisais ir matuojamas
SI
bei
"Primename, kad paskalis yra ir kūno slėgio matavimo vienetas.
joje atsirandantis mechaninis įtempis. Bandy-
mais gautą mechaninio įtempio priklausomybę nuo kūno santykinio pailgėjimo, kai deformacija maža, nusako Hūko dėsnis.
Jis teigia, kad,
kūnui
mažai
deformuojantis,
mechaninis
įtempis o yra tiesiogiai proporcingas kūno
santykiniam pailgėjimui 0). Jeigu dujos šilumą atiduoda aplinkai (O < 0), jų atliktas darbas yra neigiamas
(A' < 0). Dujas veikiančių išorinių jėgų darbas šiuo atveju yra teigiamas (A > 0).
Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas izobariniam vyksmui Izobarinio vyksmo metu dujų slėgis yra pastovus, o kinta tik dujų tūris ir temperatūra. Pritai-
kykime pirmąjį termodinamikos dėsnį izobariniam plėtimuisi (žr. 1.8.3 pav., a, b). Plėsdamosi
dujos atlieka darbą (A' > 0), be to, didėja šil-
domų dujų vidinė energija (AU > 0). Vadina-
si, pastovaus slėgio sąlygomis dujoms perduotas
šilumos kiekis naudojamas pakeisti ir darbui atlikti:
jų vidinei energijai
O=AU+A.
(4.19)
103
Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas adiabatiniam vyksmui Tikriausiai teko pūsti dviračio padangą. Turėjo-
te pastebėti, kad, pučiant orą, dviračio pompa įšy-
Vėstant
orui,
vandens
garai
virsta
sočiaisiais,
pradeda kondensuotis ir iš jų formuojasi debesis.
la. Taip yra dėl to, kad, atliekant mechaninį darbą, didinama slegiamų dujų vidinė energija. Staigiai
Apatinis debesies kraštas žymi rasos taško sritį. Garams debesyje kondensuojantis, į aplinką išsi-
minės sistemos (dujų) ir aplinkos nevyksta. Todėl
viau nei jo aplinkoje ir toliau plėsdamasis kyla į viršų. Debesies storis gali siekti iki 10 km. Net labai karštomis vasaros dienomis debesų viršū-
suslegiant dujas, šilumos mainai tarp termodinadujų vidinė energija greitai net užsidegti (4.2.2 pav., a). sistemos būsenos kitimas, lumos mainų su aplinka
didėja ir dujos gali Termodinaminės vykstantis be ši(izoliuotoje nuo
šilumos sistemoje), vadinamas adiabatiniu
vyksmū.
skiria šiluma, todėl oras debesyje vėsta intensy-
nės yra neigiamos temperatūros srityje, kur lie-
taus lašeliai virsta ledu.
Šiam vyksmui pritaikę pirmąjį termo-
dinamikos dėsnį, gauname:
AU= A. Taigi
adiabatinio
vyksmo
(4.20) metu
dujų
vidinės
energijos pokytis AU lygus išorinių jėgų atliekamam darbui. Iš 4.20 lygybės matyti, kad dujų
vidinė energija kinta tik atliekant darbą. Adiabatinis vyksmas taikomas dyzeliniame vidaus
degimo
variklyje!.
Jame
išorinės jėgos,
slėgdamos dujas, atlieka teigiamą darbą. Spaudžiamų dujų vidinė energija didėja, jų temperatūra kyla ir pasiekia 500-700 *C. Suspaudimo
pabaigoje į cilindrą įpurškiama degalų, kurie dėl
46.1 pav,a
A, km
aukštos temperatūros užsidega. Dyzeliniai varikliai plačiai paplitę, nes naudoja pigesnius degalus. Tačiau šių variklių degalų tiekimo sistemai reikalingos labai tiksliai pagamintos detalės, o jų gamyba brangi.
Plėsdamosi adiabatiškai, dujos atlieka teigiamą darbą (A' > 0), jų vidinė energija mažėja. Vadinasi, dujos aušta. Pavyzdžiui, gazuotame vande-
2
g E E5 ĖE El E o
nyje plečiantis dujų pripildytiems burbuliukams,
vandens temperatūra pasidaro žemesnė už aplinkos temperatūrą. Adiabatiškai besiplečiančių dujų atšalimu paaiškinamas debesų susidarymas Žemės atmosferoje. Didėjant aukščiui, atmosferos slėgis mažėja. Įkaitęs oras kyla į viršų (4.6.1 pav., a), o, pasiekęs mažesnio slėgio sritį, staiga plečiasi ir atvėsta. Oras kyla į viršų tol, kol jo temperatūra susilygina su aplinkos temperatūra (4.6.1 pav., b).
46.1 pav,b
"Primename, kad dyzelinis variklis ir jame naudojami degalai taip pavadinti pagerbiant vokiečių išradėją Rudolfą Dyzelį (Rudolf Diesel).
va
ilumos balanso lygtis Šilumos balanso lygtis apibūdina vyksmus izo-
liuotoje nuo aplinkos (uždarojoje) sistemoje. Ši
lygtis išplaukia iš energijos tvermės dėsnio ir pirmojo termodinamikos dėsnio.
Uždarosios sistemos pavyzdys — vanduo kalorimetre. Į kalorimetrą įmetus įkaitintą geležies
gabalėlį, šilumos mainai vyksta tik tarp geležies
ir vandens. Jų nėra su aplinka, nes kalorimetras gerai izoliuoja šilumą. Darbas termodinaminėje sistemoje „vanduo ir geležis“ neatliekamas. Pa-
gal energijos tvermės dėsnį abiejų kūnų vidinės energijos pokyčių suma lygi nuliui:
AU, +AU, = 0.
Ši lygtis vadinama šilumės balanso lygtimi. Joje O,
mos
ir O, - kūnų
kiekis.
Gautas
gautas ir atiduotas
šilumos
kiekis
šilu-
teigiamas
(O, > 0), atiduotas — neigiamas (O, < 0). Jei šilumos mainai vyksta tarp daugiau negu dviejų izoliuotų nuo aplinkos kūnų, šilumos balanso
lygtis užrašoma taip:
O AO
AO
A
AC
(4.21)
Ji rodo, kad vienų kūnų gautas šilumos kiekis yra lygus kitų kūnų atiduotam šilumos
kiekiui.
Iš pirmojo termodinamikos dėsnio matyti, kad AU = 0. Vadinasi, šilumos kiekių suma taip pat
turi būti lygi nuliui:
Šilumos balansas turi praktinę reikšmę. Name
suvartotą ir įvadiniu šilumos apskaitos prietaisu
išmatuotą šilumos kiekį sudaro šių šilumos kiekių suma: šaltam vandeniui pašildyti, karšto vandens temperatūrai palaikyti, patalpoms šildyti.
0+0,=0.
Pateikite izoterminių, izobarinių, izochorinių ir adiabatinių vyksmų pavyzdžių. Kokių dujų vyksmų metu nėra šilumos mainų su aplinka? Kada dujos atlieka didesnį darbą: plėsdamosi
izotermiškai ar izobariškai? Tarkite, kad dujų
tūrio pokytis abiem atvejais yra vienodas.
Vienatomės dujos vieną kartą šildomos nekintant tūriui, kitą kartą — nekintant slėgiui.
Abu kartus temperatūra pakinta vienodai. Kuriuo atveju dujoms suteikiama daugiau
šilumos? Kiek kartų daugiau?
(2
4.6.2 pav.
2)
"E
Pradinę dujų būseną žymi taškas A, o galinę- taškas C (4.6.2 pav.). Pirmuoju atveju dujų būsenos kitimą vaizduoja vyksmai ABC, antruoju atveju — ADC. Remdamiesi paveiksle pateiktais termodinaminiais dydžiais, apskaičiuokite, kiek skiriasi šilumos kiekiai abiem atvejais.
Pasidomėkite šiuolaikiniais automobiliais. Pasirinkite vieną jums patinkančio automo-
bilio modelį. Iš interneto sužinokite, kiek kai-
nuoja toks automobilis su benzininiu ir kiek — su dyzeliniu varikliu, kokios yra benzino ir dyzelino kainos. Apskaičiuokite, per kiek metų atsipirktų automobilis su dyzeliniu varikliu. Nustatykite, kaip automobilio atsipirkimo laikas priklauso nuo atstumo, nuvažiuoto per metus.
Į indą, kuriame yra 10 kg 293 K temperatūros vandens, įleidžiama 0,2 kg vandens garų.
Jų temperatūra 373 K. Garai virsta vandeniu. Kokia vandens temperatūra nusistovi susi-
kondensavus garams? Į šilumos nuostolius
neatsižvelkite.
(305 K)
105
Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius Į 5 kg vandens panardinta 1 kg ledo. Vandens | Tirpstantis ledas ir iš jo susidaręs vanduo gauna temperatūra 300 K, ledo 273 K. Kokia nu- | šilumos kiekį
Kava
a
242
sistovės galinė temperatūra?
O, = Xm, + em(T-
Taikydami energijos tvermės šilumos balanso lygtį:
1).
dėsnį, sudarome
0+0-0, arba
c = 4200 Į/(kg-K) X > 3,35
10 )/kg
10,|=
Įrašome šilumos kiekių išraiškas:
1T,- 1) T) == M Am,
em(T —
Sprendimas
Šiltas vanduo ledui atiduoda šilumos kiekį
0, = m(T,- 1).
+ cm
1-1).2)
Iš čia išreiškiame galinę temperatūrą:
p SI
om, m,
e(m, + m,)
Į gautą lygtį įrašome žinomas dydžių vertes:
1-
4200 J/(kg:K) 5 kg 300 K 14200 Į/(kg-K)* 1 kg* 273 K —3,35/ 107] 1 kg 4200 Įkg-K)* 6 kg
-2822K.
Atsakymas. 282,2 K. Pasitikrinkite pažangą
m“
Co
Kibire buvo 5 kg vandens, kurio temperatūra
Du namai turi skirtingas šildymo sistemas.
ta į kibirą, jeigu jame nusistovėjo 30 9C temperatūra? (1.5 kg)
tas vanduo, į antro - karšti garai. Vandens ir garų temperatūra vienoda ir lygi 82 9C. Iš abiejų šildymo sistemų vanduo išeina at-
99C. Kiek kilogramų verdančio vandens įpil200g metalinis ritinys iš pradžių buvo pakaitintas verdančiame vandenyje, paskui pa-
nardintas į 400 g vandens, kurio temperatūra 229C. Po tam tikro laiko vandens tempera-
tūra pakilo iki 25 9C. Apskaičiuokite medžia-
gos, iš kurios pagamintas ritinys, savitąją (336 J/(kg:K)) šilumą.
S
g ž = d k3 El E E
G
„Namo šildymo sistema naudoja 2 + 10“ I vandens. Į namą patenkančio vandens tempera-
tūra yra 65 9C, iš šildymo sistemos išeinančio
vandens temperatūra 35 9C. Pakeitus namo langus, buvo sutaupyta 20 96 šilumos. Sužinokite, kiek šiuo metu reikia mokėti už vie-
ną kilovatvalandę šilumos. Apskaičiuokite, kiek pinigų sutaupė namo gyventojai, pakeitę langus.
Į pirmo namo šildymo sistemą patenka karš-
vėsęs iki 40 9C. Kokia masė garų antro namo sistemoje atiduoda tiek pat šilumos kiek 1 kg vandens pirmo namo sistemoje?
(709)
((5-) Stabdymo pradžioje 10 I masės krovininio
automobilio greitis buvo 28,8 km/h. Kiek šilumos išsiskyrė stabdymo metu? Tarkite, kad visa automobilio kinetinė energija virto idi
ija.
vidinę energija
i“
320 k)
Izobarinio plėtimosi metu 20g vandenilio
A
tūris padidėjo du kartus. Dujų pradinė temperatūra buvo 300 K. Apskaičiuokite: a) besiplečiančių dujų atliktą darbą:
(2493 K]) 6) dujų vidinės energijos pokytį: | (62.325 kĮ)
€) dujoms suteiktą šilumos kiekį.
(87.255 kJ)
4.7. Antrasis termodinamikos dėsnis Negrįžtamieji procesai Pirmasis termodinamikos
tvermės
dėsnis,
pritaikytas
dėsnis yra energijos
šiluminiams
reiški-
niams. Tačiau jis nenurodo gamtoje vykstančių šiluminių
reiškinių
krypties.
Labai
dažnai
pro-
cesai, kuriems galioja pirmasis termodinamikos dėsnis, gamtoje nevyksta. Pateikiame tokio proceso
pavyzdį.
Į kalorimetrą
su
šaltu
vandeniu
panardinamas karštas kūnas. Šaltas vanduo, ati-
duodamas tam tikrą šilumos kiekį karštam kūnui,
dar labiau vėsta, o karštas kūnas, patekęs į šaltą vandenį, kaista smarkiau. Pirmasis termodinami-
kos dėsnis šiuo atveju galioja, energijos tvermės dėsnis nepažeidžiamas, tačiau tokie procesai iš tikrųjų niekada nevyksta.
Šiluma gamtoje perduodamatik viena kryptimi —
karštesni kūnai ją savaime perduoda šaltesniems. Tai tęsiasi tol, kol kūnų temperatūra susilygina —
471
pav.
Gamtoje
visi makroskopiniai
procesai
vyksta
tik viena kryptimi. Priešinga kryptimi jie savaime vykti negali. Pavyzdžiui, 4.7.2 paveiksle
sas, t. y. savaiminis šaltesnio kūno šilumos perda-
pavaizduotas buitinis reiškinys (b atvejis) iš tiesų yra neįmanomas. Viena gamtoje vykstančių procesų kryptis mums yra įprasta. Pavyzdžiui,
šilumą būtų
jis nepakils iš vandens ir nesugrįš į mūsų rankas.
nusistovi šiluminė pusiausvyra. Atvirkščias procevimas karštesniam, gamtoje nevyksta. Šalto kūno galima atiduoti karštesniam,
tačiau
reikėtų naudoti specialius įrenginius: šaldytuvus, šilumos siurblius.
Kitas pavyzdys. Suspaustos dujos cilindre ple-
čiasi tol, kol jų slėgis susilygina su išoriniu
įmetę akmenį į vandenį, žinome, kad savaime Šis neįmanomas
procesas nesikerta su energijos
tvermės dėsniu, tačiau prieštarauja antrajam termodinamikos dėsniui.
atmosferos slėgiu. Tačiau niekada savaime dujos pačios vėl nesusispaudžia. Suspausti jas galima
tik paveikus išorine jėga. Procesai,
kurie
savaime
vyksta
tik viena
kryptimi, vadinami negrįžtamaisiais vyksmais. Difuzija — taip pat negrįžtamasis vyksmas.
Į vandenį įpylus rašalo, jo molekulės susimaišo su
vandens molekulėmis (4.7.1 pav.) ir visas vanduo
ilgainiui nusidažo mėlynai, tačiau rašalo moleku-
lės negali savaime grįžti į vandens paviršių.
47.2 pav, a
Antrasis termodinamikos dėsnis Antrasis
termodinamikos
dėsnis
nurodo
energijos virsmų gamtoje kryptį ir pabrėžia, kad visi vyksmai yra negrįžtamieji. Šio dėsnio nega-
lima išvesti teoriškai. Kaip ir pirmasis termodi-
namikos dėsnis, jis pagrįstas daugelio bandymų rezultatais.
Jo fizikinę prasmę
sudaro
tai, kad
107
medžiagos molekulių
šiluminio judėjimo ener-
gija kokybiškai skiriasi nuo kitų rūšių energijos. Kiekvienas vyksmas, kurio metu bet kurios rūšies energija virsta molekulių šiluminio judėji-
mo energija, yra negrįžtamasis.
Antrasis termodinamikos dėsnis formuluojamas įvairiai, tačiau visos formuluotės reiškia tą patį, todėl yra lygiavertės. Labiausiai paplitusi vokiečių
mokslininko
Rudolfo
Klauzijaus
jų aplinka. Kita šio dėsnio formuluotė rodo, kad darbu galima paversti ne visą kūno vidinę energiją,
energijos
o tik jos dalį: neįmanoma
perduoti
iš aukštos
vidinės
temperatū-
ros šaltinio taip, kad atliktas darbas būtų
lygiavertis su tuo vidinės energijos kiekiu. Ši formuluotė turi svarbią reikšmę technologiniuose procesuose. Ji rodo, kad neįmanoma jėgainėse
deginamų
anglių, naftos ar dujų visos
(Rudolf Clausius) pateikta formuluotė: šaltesnis kūnas negali perduoti šilumos karštesniam,
vidinės energijos paversti darbu. Dalis energijos visada perduodama aplinkai: vandeniui aušini-
kai tuo pačiu metu nekinta abu kūnai arba
mo sistemoje, atmosferai.
Antrojo termodinamikos dėsnio statistinis aiškinimas Antrasis termodinamikos dėsnis nurodo, kuria
susi-
pav., b). Judėdamos dujų molekulės vidutiniškai pusę laiko būna vienoje indo dalyje, pusę - kito-
sena. Sakykime, turime sandarų indą, pertvara padalytą į dvi dalis. Kairiojoje dalyje yra dujų, o
indo dalį, yra labai maža. Statistiniai skaičiavimai rodo: kad visos molekulės kairiojoje indo
tvarą, dujos savaime pasklinda po visą indą (4.7.3
31077 metų. Šis laikotarpis daugelį milijardų
kryptimi kinta uždarosios sistemos kūnų,
dedančių iš daugelio dalelių, makroskopinė bū-
dešiniojoje — tuščia (4.7.3 pav., a). Išėmus perDujų molekulė
Pertvara
|
Dujų molekulė
473 pav,a
je. Tikimybė, kad visos molekulės grįš į kairiąją
pusėje išbūtų 1 us, reikia laukti daugiau kaip
kartų ilgesnis už visatos amžių. Uždaroji sistema, sudaryta iš daugelio dalelių, savaime pereina iš tvarkingesnės būsenos į ne tokią tvarkingą. Kitaip tariant, uždaroji sistema savaime pereina iš mažiau tikėtinos jos dalelių išsidėstymo būsenos į labiau
tikėtiną.
Šaldytuvas. Oro kondicionierius
i
“ E E2 £ EE = ž
Šaldytuve ar oro kondicionieriuje šiluma pereina iš šaltesnių kūnų į šiltesnius. Nesigilinant į šių prietaisų sandarą ir veikimą, susidaro įspū-
Šil
paimtas Iš šaldomųkiekis,produktų
2
dis, kad pažeidžiamas antrasis termodinamikos
dėsnis. Iš tiesų tiek šaldytuve, tiek oro kondicionieriuje vykstantys procesai paklūsta fizikos
dėsniams.
DARBINĖ MEDŽIAGA
ome, kad šaldytuvo paskirtis — šaldy-
ti maisto produktus. Tačiau ne kiekvienas žino,
kad šaldytuvas ne tik šaldo produktus, bet ir šildo kambario orą. Šaldytuvo veikimo bendroji schema pavaizduota 4.7.4 paveiksle. Kompre-
sorinio šaldytuvo darbinė medžiaga - žemos vi-
47A pav.
—
Elektros srovės EE
Kompresorius
Siurbimo vamzdelis
Įpurškimo vamzdelis
Garinimo kondensatorius
4.76 pav.
kiant elektros varikliui, šaltesnių kūnų oro kondicionieriuje kūnams.
perduodama
šiluma
šiltesniems
Geoterminis šildymas Naujuose pastatuose (privačiuose namuose, 4.7.5 pav.
rimo temperatūros skystis. Jis perneša šilumą iš
šaltesnių kūnų į šiltesnius. Šis procesas gali vykti tik tada, kai išorinės jėgos atlieka darbą. Šaldytuve jį atlieka elektros variklis. Jis reguliuoja kompresoriaus veiklą (4.7.5 pav.). Kompresorius
pumpuoja darbinės medžiagos garus į kondensa-
torių, įtvirtintą šaldytuvo užpakalinės sienelės iš-
orėje. Slegiami garai šildo kondensatorių, o šis — kambario orą. Kondensatoriuje iki kambario
gamybiniuose pastatuose, šiltnamiuose ir kt.) vis dažniau įrengiamas geoterminis šildymas. Šio šildymo sistema naudoja paviršiniuose žemės sluoksniuose susikaupusią saulės energiją. Tokioje sistemoje taikomas atvirkštinis šaldytu-
vo ar kondicionieriaus veikimo principas: laukas aušinamas, o patalpos šildomos. Geoterminio
šildymo sistemą (4.7.7 pav.) sudaro:
+ vamzdynų sistema šilumai iš žemės paimti; + šilumos siurblys;
+ šildymo sistema patalpose.
temperatūros atvėsinti garai kondensuojasi. Susidaręs skystis patenka į garinimo sistemą (šaldy-
mo kamerą). Joje kompresorius palaiko mažesnį slėgį, todėl skystis pradeda virti net esant 0 9C temperatūrai. Skysčiui garinti reikalinga ener-
gija imama iš šaldymo kameros sienelių. Taip sukuriamas
šaldymo
efektas. Susidarę garai vėl
patenka į kompresorių
ir procesas kartojasi iš
naujo.
Oro kondicionierius veikia tuo pačiu principu kaip šaldytuvas (4.7.6 pav.). Jeigu šaldytuvo šaldymo kamerą paliktume atvirą, o šildantį orą kondensatorių įtaisytume lauke, turėtume oro kondicionierių. Šaldymo kamera vėsina kambario orą, o kondensatorius
šildo lauko orą. Vei-
109
Grunto temperatūra didesniame nei 1,5 m gylyje tiek žiemą, tiek vasarą būna pastovi (apie 6-8 *C). Tokiame gylyje išvedžiojama geoterminio šildymo vamzdynų sistema, kuria cirku-
liuoja vanduo (4.7.7 pav.). Cirkuliaciją palaiko
Geoterminis
šildymas yra pats ekologiškiau-
sias, jis visiškai neteršia aplinkos. Perduodant ši-
lumą iš žemės į patalpas, nėra jokio degimo. Be to, geoterminio šildymo sistema yra visiškai už-
dara. Geoterminis šildymas labai ekonomiškas,
šilumos siurblys, naudojantis elektros energiją. Siurblys atlieka darbą paimdamas iš vandens šilumą ir atiduodamas ją namo šildymo sistemos vandeniui. Vadinasi, geoterminio šildymo sistemoje antrasis termodinamikos dėsnis nepažeidžiamas. Šaltesnio kūno šiluma perduodama
nes aplinkos šiluma nieko nekainuoja. Reikia mokėti tik už elektros energiją, kurią naudoja šilumos siurblys ir elektronikos prietaisai.
darbą.
ir pan.
šiltesniam
kūnui,
išorinėms
jėgoms
atliekant
Šilumos
siurbliai
būna
įvairių
konstrukcijų,
skirti šilumai paimti iš grunto, vandens, oro. Geoterminis šildymas gali būti derinamas su elektriniu šildymu, taip pat šildymu kietuoju kuru
Ar šaldytuvo, oro kondicionieriaus, geoter-
Kokius vyksmus vadiname negrįžtamai-
minio šildymo sistemos veikimas paklūsta antrajam termodinamikos dėsniui? Atsakymą pagrįskite.
siais?
Pateikite negrįžtamųjų vyksmų pavyzdžių. Kokia yra antrojo termodinamikos dėsnio esmė? Suformuluokite tą dėsnį.
Parenkite pranešimą apie geoterminį šildymą: pasidomėkite jo istorija, grunto, oro ir vandens siurblių veikimu, internete paieškokite informacijos apie geoterminio šildymo ekonomiškumą, palyginkite geoterminio šildymo
Kaip statistiškai aiškinamas antrasis termodinamikos dėsnis?
Kodėl dūmai išsisklaido ore? Kodėl šis
ir kitų šildymo sistemų (elektrinio šildymo,
vyksmas yra negrįžtamasis?
šildymo kietuoju kuru) kainą.
4.8. Šiluminiai varikliai.
Jų naudingumo koeficientas
=
g ž r 2 ĖE El E g
Šiluminių variklių samprata Energijos, tenkančios vienam gyventojui, ga-
giniai, kurie kuro vidinę energiją paverčia
lies rodiklių. Vienas Žemės gyventojas per parą suvartoja vidutiniškai 180 mln. džaulių energi-
Šiluminiai varikliai įrengiami automobiliuose, motocikluose, šiluminėse ir atominėse elektrinė-
jos. Ji naudojama
se, laivuose. Jie naudojami ir aviacijoje. Lengvuo-
myba ir suvartojimas yra vienas svarbiausių ša-
įvairiose veiklos srityse: pra-
monėje, transporte, žemės ūkyje, buityje. Dar XIX a. buvo pradėti gaminti įrenginiai, galintys panaudoti vidinę energiją. Tai — šiluminiai vari-
kliai. Šiluminiais varikliais vadinami įren-
mechanine energija.
se lėktuvuose įrengiami stūmokliniai varikliai, dideliuose laineriuose — reaktyvieji varikliai, kurie taip pat yra šiluminiai varikliai.
Šiluminio variklio sandara ir bendrieji veikimo principai Kiekvieną šiluminį variklį sudaro trys pagrindinės dalys (4.8.1 pav.): + šildytuvas, teikiantis energiją darbinei me-
Temperatūros T, šildytuvas
ja
džiagai;
+ darbinė
medžiaga
(dujos
arba garai);
DARBINĖ MEDŽIAGA
+ aušintuvas, paimantis dalį darbinės medžiagos
E
energijos.
Šildytuvu vadinamas garo katilas arba degimo
kamera. Šildytuve degant kurui arba vykstant branduolinėms reakcijoms, išsiskiria šiluma, kuri
tiekiama darbinei medžiagai. Kuras — tai degio-
sios medžiagos: dujos, nafta, anglys. Apie 90 6 visos žmonijos per metus
suvartojamos
energi-
A
Temperatūros T, aušintuvas 4.8.1 pav.
jos gaunama deginant kurą. Jo kokybę apibūdina savitoji degimo šiluma (4), t. y. šilumos kie-
vidine energija, o ši - automobilio slenkamojo
Žinodami
riklio veiklos etapas, nes atliekamas mechaninis
kis, kurį išskiria visiškai sudegdamas 1 kg kuro. savitąją kuro degimo
šilumą, galime
apskaičiuoti, kiek šilumos išsiskirs sudegus bet kuriam jo kiekiui m:
O=
(4.22)
gm.
Idytuvo gauta energija padidina darbinės gos (dujų) temperatūrą šimtais ar net tūkstančiais laipsnių. Dėl to darbinės medžiagos slėgis pasidaro didesnis už aplinkos slėgį ir medžiaga ima plėstis. Plėsdamasi ji atlieka darbą. Vidaus degimo variklyje plėsdamosi dujos stumia stūmoklį,
slinkdamas suka alkūninį
leną. Jo sukimasis krumpliaračių pavaros sistema
perduodamas
automobilio ratams. Taip degant
kurui išsiskyrusi energija virsta įkaitusių dujų
judėjimo mechanine energija.
Dujų plėtimasis yra svarbiausias šiluminio va-
darbas. Jis pasibaigia, kai dujų slėgis susilygina su aplinkos slėgiu. Kad šiluminis variklis dirbtų ilgai, procesai jame turi periodiškai kartotis.
Vadinasi, dujas reikia grąžinti į pradinę būseną — suspausti.
Žemesnės
temperatūros dujas spausti
lengviau, todėl prieš spaudžiant dujos atvėsinamos. Tam naudojamas aušintuvas. Garo turbinoje tai yra atmosferos oras arba specialus įrenginys panaudotajam garui aušinti ir kondensuoti (vadinamasis
kondensatorius),
vidaus
degimo
variklyje — atmosferos oras. Aušintuvas laiduo-
ja ciklinį vyksmą. Tiek vidaus degimo variklių, tiek kitų šiluminių mašinų darbas yra nuolat pasikartojančių ciklų visuma.
Šiluminio variklio darbo ciklo grafinis vaizdavimas Šiluminio variklio darbo ciklą galima pavaiz-
duoti slėgio-tūrio diagrama (4.8.2 pav.). Dujų izoterminį
plėtimąsi
atitinka
diagramos
dalis
AB, o spaudimą — dalis CD. Plėsdamosi dujos atlieka teigiamą darbą (AV > 0), kuris lygus figūros FABE plotui. Slegiamos dujos atlieka nei-
giamą darbą (AV < 0), kurio skaitinė vertė lygi tigūros FDCE plotui. Ciklo metu atliktas darbas lygus izotermų AB ir CD bei vertikalių atkarpų
AD ir BC ribojamam plotui.
48.2 pav. Šiluminis variklis atlieka naudingą mechaninį
darbą, kai dujos plečiasi esant aukštesnei tem111
peratūrai,
o slegiamos
esant
žemesnei
tempe-
ratūrai. Dujoms plečiantis, šiluma gaunama iš šildytuvo, o jas spaudžiant — atiduodama aušintuvui. Šiluminis variklis atlieka darbą, nau-
dodamas
kūnai
vidinę
energiją,
perduoda
kurią
šaltesniems.
karštesni
Atliktas dar-
bas yra mažesnis už šilumos kiekį, gautą iš šildytuvo.
Realaus šiluminio variklio naudingumo koeficientas Šiluminiame variklyje, pasibaigus vienam dar-
bo ciklui, dujos grąžinamos į pradinę būseną. Va-
dinasi, jų vidinės energijos pokytis lygus nuliui:
AU = 0. Tada pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį darbas lygus per ciklą gautam šilumos kiekiui:
AU=O-A'= 0, arba A" = O.
(4.23)
šilumos kiekis atiduodamas aušintuvui, šiluminio
variklio naudingumo koeficientas visada yra ma-
žesnis už vienetą (1 < 1), arba už 100 6 (1 < < 100 6). 4.1 lentelėje pateikiame kai kurių šiluminių variklių naudingumo koeficientų vertes. 4.1 lentelė
Šilumos kiekis O lygus iš šildytuvo gauto šilumos
kiekio
O,
ir aušintuvui
atiduoto
kiekio O, skirtumui (žr. 4.8.1 pav.), todėl
A =|0,|-18,|-
šilumos
koeficientas
(4.24)
Variklio atlikto darbo A'ir iš šildytuvo gauto šilumos kiekio O, santykis vadinamas ši-
luminio variklio naudingūmo koeficientū:
1“
a 10
AI -I8 TO]
Kai kurių šiluminių variklių naudingumo
10 10]: (4.25)
Pagal 4.25 formulę apskaičiuojamas realaus ši-
luminio variklio naudingumo koeficientas. Kadangi visuose šiluminiuose varikliuose tam tikras
Šiluminis variklis
koeficientas, 90
Karbiuratorinis automobilio variklis
25
Turboreaktyvinis variklis
20-30
Dujų turbinos įrenginys
25-29
Karbiuratorinis aviacinis variklis
35-40
Turbodyzelinis variklis
35-44
Garo turbina
15-40
Idealaus šiluminio variklio naudingumo koeficientas Tyrėjai visais laikais ieško būdų, kaip padidinti šiluminio variklio naudingumo koeficientą. 1824 m. prancūzų
i
O E E5 £ EE E Žž
inžinierius Sadi Karno
(Sadi Carnot) knygoje „Apmąstymai apie va-
romąją ugnies jėgą“ aprašė idealaus šiluminio variklio modelį. Jį sudaro šilumai nelaidus ci-
lindras bei stūmoklis ir iš šilumai laidžios medžiagos pagamintas
pagrindas (4.8.3 pav., a).
Idealaus šiluminio variklio darbą apibūdina
Karno ciklas, susidedantis iš keturių etapų: 1) temperatūros T, dujos gauna šilumos iš šildytuvo
plečiasi;
(4.8.3
pav.,
a,
b)
ir
Uzudingumo
izotermiškai Sadi Karno
2) cilindro pagrindas izoliuojamas (4.8.3 pav., c) ir dujos, plėsdamosi adiabatiškai, atvėsta iki
temperatūros T, (T, < T,);
3) cilindro pagrindas aušinamas (4.8.3 pav., d),
temperatūros T, dujos izotermiškai slegiamos;
1
į E
!
— Šilumą.
įzoliuojanti
medžiaga
L
4) cilindro pagrindas izoliuojamas nuo išorinės aplinkos (4.8.3 pav., e) ir adiabatiškai slegiamų dujų temperatūra vėl pasiekia pradinę vertę T.
|
'
'
Šilumai
laidi medžiaga Temperatūros T, šildytuvas
šildytuvas
483 pav, a
Karno
įrodė,
l Temperatūros
T,
LI Šilumą izoliuojanti medžiaga
483 pav, b kad
idealaus
1 Temperatūros
aušintuvas
483 pav,c
šiluminio variklio
483 pav,d
T,
"2
Šilumą izoliuojanti
medžiaga
4833 pav, e
Iš 4.26 formulės matyti, kad šiluminių variklių
naudingumo koeficientas lygus šildytuvo ir au-
naudingumo koeficientą galima padidinti dviem
peratūros santykiui:
žinant aušintuvo temperatūrą 1. Jeigu būtų 1, =
šintuvo temperatūrų skirtumo ir šildytuvo tem-
(4.26) Realiame
variklyje
neįmanoma
sukurti
ciklo,
susidedančio iš dviejų idealių izoterminių ir dvie-
būdais: didinant šildytuvo temperatūrą 1, ir ma-
= 0, mašinos naudingumo koeficientas prilygtų vienetui. Šis naudingumo koeficiento didinimo
būdas neįgyvendinamas, nes aušintuvo tempe-
ratūra dažniausiai būna lygi atmosferos temperatūrai,
t.y. apie
300 K.
Vadinasi,
reikia
didinti
šildytuvo temperatūrą 1,, sudaryti kuo didesnį
jų adiabatinių procesų. Todėl bet kokios realios
šildytuvo ir aušintuvo temperatūrų skirtumą.
T, šildytuvą ir temperatūros T, aušintuvą, naudingumo koeficientas negali būti dides-
galima padidinti ir kitais būdais: mažinant jo de-
šiluminės mašinos, turinčios temperatūros nis negu idealios mašinos (1 < n,).
Kokie įrenginiai vadinami šiluminiais varikliais?
Kam šiluminiuose varikliuose reikalingas
aušintuvas? Kokie yra bendrieji šiluminių variklių veikimo principai? Kaip išreiškiamas šiluminių variklių naudingumo koeficientas? Kokiais būdais jį galima
padidinti?
Šiluminio
variklio
naudingumo
koeficientą
talių tarpusavio trintį, taip pat nuostolius, pati-
riamus dėl to, kad kuras sudega ne iki galo.
Šiluminis variklis per vieną ciklą iš šildytuvo gauna 100 J šilumos, o aušintuvui atiduoda 60 J. Koks yra šio variklio naudingumo koe-
ficientas?
(40 06)
Nuo Žemės paviršiaus kylančiuose oro srautuose galima įžvelgti šiluminį variklį. Paaiškinkite, kaip jis veikia. Vadovėlyje aprašytą idealaus šiluminio variklio Karno ciklą pavaizduokite slėgio-tūrio diagrama.
113
Mokomės savarankiškai spręsti uždavinius 1. Sudegindama
0,4
kg
dyzelinių
degalų,
garo turbina pagamina 1 kW-h energijos. Į turbiną patenkančių garų temperatūra 300 *C, aušintuvo temperatūra 35 *C. Apskaičiuokime: a) garo turbinos naudingumo koeficientą; b) idealios šiluminės mašinos, veikiančios tokiomis pat sąlygomis, naudingumo koeficientą.
kg
1 kWh
3,6 * 10J
=
gant
dyzeliniams
gauname:
koeficientą
kiekio,
kuris
degalams,
išsiskiria de-
išraišką
O
= gm,
variklio
am
3,610]
GrMA0Ę
|
44-10
čia T, = (273 + 300) K = 573 K, T, = (273 +
a) Šilumos kiekį, kurį išskiria visiškai sudeg-
damas nurodytas kiekis benzino, apskaičiuojame pagal formulę O, = gm. Įrašę dydžių vertės, gauname:
= 9384-10] = 94-10" J.
S
BK MK
046,
273K-308K
Naudingąjį variklio galia ir laiku:
koeficientus,
pat sąlygomis,
matome,
kad
nau-
idealios
mašinos jis yra daugiau kaip 2 kartus didesnis.
Atsakymas. a) 0,21; b) 0,46.
(0)
darbą išreiškiame variklio
A= Nt.
(2)
Žinodami kelią, galime rasti laiką:
1-4
(3)
2 ir 3 lygybę įrašome į 1 lygybę ir apskaičiuoja-
Palyginę realios ir idealios šiluminės maši-
dingumo
10* kg =
b) Variklio naudingumo koeficientas
+ 35) K = 308 K. Įrašę dydžių vertes, turime:
nos, veikiančios tokiomis
W
4
Nu >
" ž E 2 Ė3 El E E
koefi-
Sprendimas
7 021
b) Idealios šiluminės mašinos naudingumo koeficientas randamas pagal formulę
n —=
naudingumo
O, = 46-10 J/kg > 2,04
Apskaičiuojame naudingumo koeficiento vertę:
nN-
reaktyviojo
v = 900 km/h = 250 m/s
= A
|
b)
N=
= 40
ns
greitį. Apskaičiuokime: a) šilumos kiekį, išsiskiriantį degant 2,04 x x 10? kg benzino;
ą= 46-10" ]/kg
Sprendimas a) Garo turbinos naudingumo apskaičiuojame pagal formulę Įrašę į ją šilumos
lia siekia 4,4 - 10* kW, lėktuvas įgyja 900 km/h
0, -?7|s = 100 km = 10 m 1-2? |m = 204: 10 kg
4 = 4210 J/kg
n
kelyje sudegina 2,04 - 10? kg benzino. Kai jo ga-
cientą.
= 300 *C = 35 9C 0.4
2. Reaktyvinio lėktuvo variklis 100 km ilgio
me naudingumo koeficiento vertę:
n-
= 43 Ns.
AIM m
N= BAI om
7 02
Atsakymas. a) 9,4-10“ J; b) 20 04.
(4)
Pasitikrinkite pažangą
1.
Per 1 h automobilio variklis sudegina 5 kg
a) garo mašinos naudingumo koeficientą:
(62,5 4)
benzino. Dujų temperatūra jo cilindre 1200 K. o išmetamų deginių temperatūra 370 K. Benzino savitoji degimo šiluma yra
b) darbą, atliekamą per vieną ciklą: (125 kĮ) €) vieno ciklo metu atiduotą šilumos kiekį.
46 MĮ/kg. Apskaičiuokite automobilio vari-
klio galią. 2.
(44 KW)
Traktoriaus variklio galia 81 kW, naudingu-
(75 kJ)
5.
Važiuodama automobiliu į kaimą pas močiutę, Lina pagal spidometro rodmenis nustatė,
3.)
mo koeficientas 25 16. Kiek dyzelinių degalų šis traktorius sudegina per 1h? || (27.77 kg)
kad automobilis važiavo 90 km/h vidutiniu
greičiu ir sudegino 18 I benzino. Mergaitė žinojo, kad nuo Vilniaus iki močiutės namų
Važiuodamas 27 km/h greičiu, traukinys per 1 h sunaudoja 400 kg dyzelinių degalų. Garvežio variklio naudingumo koeficientas
yra 200 km, o automobilio variklio naudin-
gumo koeficientas lygus 35 96. Padėkite Linai
30 04. Apskaičiuokite garvežio varos jėgą.
atsakyti
(186,7 kN)
4.
os klausimus:
a) kiek šilumos išsiskiria degant 14 I benzino;
(5796 MI)
Garo mašinos šildytuvo temperatūra 320 *C,
b) kokia yra vidutinė automobilio galia kelio-
o aušintuvo 120 “C. Per vieną ciklą mašina
iš šildytuvo gauna 200 kJ šilumos. Apskaičiuokite:
nės metu;
€) kiek laiko truko Linos kelionė?
25,35 kW)
(8: 10? s)
4.9. Vidaus degimo variklių keliama tarša
XXI a. žmogus sunkiai įsivaizduoja dieną be
automobilio. Manoma, kad dabar jų pasaulyje yra apie pusę milijardo. XX a. pradžioje automobilių buvo daug mažiau — visame pasaulyje
tik 11 tūkstančių. Nuolat didėjant automobilių skaičiui, vis aktualesnės darosi jų keliamos pro-
blemos:
+ aplinkos tarša (kenksmingi deginiai, padan-
gų ir kelių dangos nusidėvėjimo dulkės, triukšmas, kuro nutekėjimas, nugaravimas, panaudoti
tepalai); + kraštovaizdžio nuskurdinimas, kultūros pavel-
do naikinimas
(automobiliams
reikalingos
mil-
žiniškos asfaltu ir betonu padengtos teritorijos, todėl tenka aukoti puikius natūralius gamtovaizdžius bei derlingo dirvožemio plotus, keisti senųjų miestų ir miestelių urbanistinę struktūrą); e eismo įvykių padariniai (pavyzdžiui, per paskutinį
dvidešimtmetį
Lietuvos
keliuose
žuvo
per 16 tūkstančių žmonių, o apie 99 tūkstančius buvo sužalota);
+ nesveikas gyvenimo būdas (važinėdami au-
tomobiliais, žmonės mažiau juda: vaikšto pėsčio-
mis, važinėja dviračiais).
Ypač svarbi problema — automobilių keliama tarša. Daugiausia teršalų susidaro degant degalams.
Jeigu jie sudega
ne iki galo ir aplinkoje
nepakanka deguonies, susidaro smalkės (CO) — bespalvės ir bekvapės nuodingos dujos: Mūsų
šalyje
CO, + € = 2C0. automobilių
tarša
dažniausiai
vertinama tik pagal išmetamo anglies monoksido kiekį, tačiau negalima pamiršti ir kitų (jų yra apie 60) toksinių komponentų. Neigiamas
jų poveikis yra ne tik individualus, bet atskirais atvejais dar ir sumuojasi. Atmosferoje atsiran-
da naujų junginių — fotooksidantų. Pavyzdžiui,
azoto oksidai sukelia rūgštinį lietų, nuo kurio
115
guliavimas, važiavimo režimas. Degimo sureguliavimas tikrinamas per automobilio techninę apžiūrą (4.9.1 pav.).
Aktuali vidaus degimo variklių problema— an-
glies dioksidas (CO,). Šis junginys atmosferoje
sukelia šiltnamio reiškinį (4.9.2 pav.). Normaliomis sąlygomis dalį (apie du trečdalius) iš Saulės atsklidusios infraraudonosios spinduliuotės (šilumos) sugeria dirvožemis, akmenys, uolienos, o kita dalis (trečdalis) atsispindi ir grįžta į kos-
mosą. Padidėjusi anglies dioksido koncentracija veikia kaip vienpusis skydas. Saulės spinduliai
laisvai patenka į atmosferą, atsispindi nuo įvairių paviršių ir, negalėdami praeiti pro didelės koncentracijos CO, sluoksnį, lieka žemuosiuose atmosferos sluoksniuose. Dėl šiltnamio reiškinio
49.1 pav. labai kenčia gamtinė aplinka, kultūros paveldo objektai.
Automobilio variklyje kartu su 1 kg benzino sudegaapie 14 kg oro, oį atmosferą išmetama apie
15 kg įvairių dujų mišinio. Vadinasi, vienas auto-
kyla oro temperatūra. Vertinant automobilių išmetamų toksinių me-
džiagų poveikį gamtai ir žmogaus sveikatai, dažniausiai minimas švino poveikis. Tačiau švi-
nas nėra pats pavojingiausias.
Antai
benzpire-
mobilis, per metus nuvažiuodamas 10 tūkst. km
nas (vienas iš keliolikos automobilio išmetamų policiklinių angliavandenilių) yra gerokai tok-
lemia variklio tipas, degalų rūšis, degimo sure-
benzpireno koncentracija šalyje prie intensyvaus
ir sudegindamas 7 kg benzino 100 km, išmeta apie 10 t įvairių toksinių dujų. Jų kiekį ir sudėtį
siškesnis. Jis gali sukelti piktybines gerklės ir plaučių ligas. Lietuvos mokslininkai ištyrė, kad
ŠILTNAMIO REIŠKINYS Dalis energijos atsispindi atal į kosmosą
Saulės išskiriama energija prasiskverbia pro atmosferą
i
O E E5 ĖE E E ž2
4.9.2 pav.
Žemės paviršius yra šildomas saulės ir spinduliuoja šilumą
atgal į kosmosą
Atmosferoje
susikaupusios šiltnamio reiškinį
sukeliančios dujos dalį šilumos sulaiko
eismo magistralių 15-20 kartų didesnė nei leidžiamoji. Daržovių užterštumas benzpirenu net už 60-70 m nuo Vilniaus-Kaūno magistralės
keliolika kartų didesnis už leidžiamąjį. Didmiesčiuose
automobilių
teršalai
sukelia
smogą (4.9.3 pav.). Jo susidarymą lemia vietovės reljefas ir temperatūros inversinė zona'. Apatiniuose atmosferos
horizontaliai.
sluoksniuose oro srautai juda
Jų judėjimas
priklauso
nuo
vėjo
krypties ir stiprio. Jei vėjas stiprus, teršalai nesikaupia vienoje vietoje, o yra
išsklaidomi. Didelė-
se daubose (pavyzdžiui, Vilniaus miesto centre),
kalnuotose vietovėse vėjo įtaka daug mažesnė.
Todėl tokiose vietovėse teršalų pasiskirstymą Iemia vertikalūs oro srautai. Tačiau atsiradusi temperatūros inversinė zona neleidžia maišytis apatiniams ir viršutiniams atmosferos sluoksniams.
Teršalai
pasiekia
kaupiasi žemutiniuose labai
didelę
sluoksniuose
koncentraciją,
ir
atsiranda
smogas.
Saulėtą dieną oro teršalus veikia ultra-
violetiniai spinduliai ir susidaro dar toksiškesni junginiai. Šis reiškinys vadinamas fotocheminiu
smogu.
Labiausiai nuo šių ekologinių problemų
nukenčia vaikai ir žmonės, kurie serga kvėpavi-
mo bei širdies ir kraujagyslių sistemos ligomis. Vidaus degimo variklių keliamą taršą mažina tinkamai sutvarkyta kelių sistema: aplinkkeliai,
viadukai (4.9.4 pav.). Transporto keliamą triukšmą ir taršą taip pat mažina
želdynai, ekraninės
sienos, ekraniniai namai, pylimai. Gaminant
automobilius,
jų taršos
problemos
sprendžiamos pasitelkiant elektronikos, medžia-
gotyros, prietaisų pramonės sričių laimėjimus.
Šiuolaikiniuose automobiliuose įrengiamos elektroninio įpurškimo sistemos, elektromagnetiniai
uždegimo sistemų davikliai ir kt. Modernios automobilių variklių paleidimo elektrinės sistemos leidžia sumažinti variklių taršą ir triukšmą.
p
1 1 1 1 1
Tarpdalykinis projektas Parenkite projektą tema „Energija negyvojoje ir gyvojoje gamtoje“. Jame panagrinėkite energiją fizikiniu, cheminiu ir biologiniu aspektu:
a) kūno vidinės energijos fizikinė samprata; ! b) energijos gamyba ir kaupimas augaluose;